本文转载自互联网
本系列文章将整理到我在GitHub上的《Java面试指南》仓库,更多精彩内容请到我的仓库里查看
https://github.com/h3pl/Java-Tutorial
喜欢的话麻烦点下Star哈
文章将同步到我的个人博客:
www.how2playlife.com
本文是微信公众号【Java技术江湖】的《不可轻视的Java网络编程》其中一篇,本文部分内容来源于网络,为了把本文主题讲得清晰透彻,也整合了很多我认为不错的技术博客内容,引用其中了一些比较好的博客文章,如有侵权,请联系作者。
该系列博文会告诉你如何从计算机网络的基础知识入手,一步步地学习Java网络基础,从socket到nio、bio、aio和netty等网络编程知识,并且进行实战,网络编程是每一个Java后端工程师必须要学习和理解的知识点,进一步来说,你还需要掌握Linux中的网络编程原理,包括IO模型、网络编程框架netty的进阶原理,才能更完整地了解整个Java网络编程的知识体系,形成自己的知识框架。
为了更好地总结和检验你的学习成果,本系列文章也会提供部分知识点对应的面试题以及参考答案。
如果对本系列文章有什么建议,或者是有什么疑问的话,也可以关注公众号【Java技术江湖】联系作者,欢迎你参与本系列博文的创作和修订。
本文将介绍 Java NIO 中三大组件 Buffer、Channel、Selector 的使用。
本来要一起介绍非阻塞 IO 和 JDK7 的异步 IO 的,不过因为之前的文章真的太长了,有点影响读者阅读,所以这里将它们放到另一篇文章中进行介绍。
Buffer
一个 Buffer 本质上是内存中的一块,我们可以将数据写入这块内存,之后从这块内存获取数据。
java.nio 定义了以下几个 Buffer 的实现,这个图读者应该也在不少地方见过了吧。
其实核心是最后的 ByteBuffer,前面的一大串类只是包装了一下它而已,我们使用最多的通常也是 ByteBuffer。
我们应该将 Buffer 理解为一个数组,IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分别对应 int[]、char[]、double[] 等。
MappedByteBuffer 用于实现内存映射文件,也不是本文关注的重点。
我觉得操作 Buffer 和操作数组、类集差不多,只不过大部分时候我们都把它放到了 NIO 的场景里面来使用而已。下面介绍 Buffer 中的几个重要属性和几个重要方法。
position、limit、capacity
就像数组有数组容量,每次访问元素要指定下标,Buffer 中也有几个重要属性:position、limit、capacity。
最好理解的当然是 capacity,它代表这个缓冲区的容量,一旦设定就不可以更改。比如 capacity 为 1024 的 IntBuffer,代表其一次可以存放 1024 个 int 类型的值。一旦 Buffer 的容量达到 capacity,需要清空 Buffer,才能重新写入值。
position 和 limit 是变化的,我们分别看下读和写操作下,它们是如何变化的。
position 的初始值是 0,每往 Buffer 中写入一个值,position 就自动加 1,代表下一次的写入位置。读操作的时候也是类似的,每读一个值,position 就自动加 1。
从写操作模式到读操作模式切换的时候(flip),position 都会归零,这样就可以从头开始读写了。
Limit:写操作模式下,limit 代表的是最大能写入的数据,这个时候 limit 等于 capacity。写结束后,切换到读模式,此时的 limit 等于 Buffer 中实际的数据大小,因为 Buffer 不一定被写满了。
初始化 Buffer
每个 Buffer 实现类都提供了一个静态方法 allocate(int capacity)
帮助我们快速实例化一个 Buffer。如:
ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(1024);IntBuffer intBuf = IntBuffer.allocate(1024);LongBuffer longBuf = LongBuffer.allocate(1024);// ...
另外,我们经常使用 wrap 方法来初始化一个 Buffer。
public static ByteBuffer wrap(byte[] array) { ...}
填充 Buffer
各个 Buffer 类都提供了一些 put 方法用于将数据填充到 Buffer 中,如 ByteBuffer 中的几个 put 方法:
// 填充一个 byte 值public abstract ByteBuffer put(byte b);// 在指定位置填充一个 int 值public abstract ByteBuffer put(int index, byte b);// 将一个数组中的值填充进去public final ByteBuffer put(byte[] src) {...}public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length) {...}
上述这些方法需要自己控制 Buffer 大小,不能超过 capacity,超过会抛 java.nio.BufferOverflowException 异常。
对于 Buffer 来说,另一个常见的操作中就是,我们要将来自 Channel 的数据填充到 Buffer 中,在系统层面上,这个操作我们称为读操作,因为数据是从外部(文件或网络等)读到内存中。
int num = channel.read(buf);
上述方法会返回从 Channel 中读入到 Buffer 的数据大小。
提取 Buffer 中的值
前面介绍了写操作,每写入一个值,position 的值都需要加 1,所以 position 最后会指向最后一次写入的位置的后面一个,如果 Buffer 写满了,那么 position 等于 capacity(position 从 0 开始)。
如果要读 Buffer 中的值,需要切换模式,从写入模式切换到读出模式。注意,通常在说 NIO 的读操作的时候,我们说的是从 Channel 中读数据到 Buffer 中,对应的是对 Buffer 的写入操作,初学者需要理清楚这个。
调用 Buffer 的 flip() 方法,可以从写入模式切换到读取模式。其实这个方法也就是设置了一下 position 和 limit 值罢了。
public final Buffer flip() { limit = position; // 将 limit 设置为实际写入的数据数量 position = 0; // 重置 position 为 0 mark = -1; // mark 之后再说 return this;}
对应写入操作的一系列 put 方法,读操作提供了一系列的 get 方法:
// 根据 position 来获取数据public abstract byte get();// 获取指定位置的数据public abstract byte get(int index);// 将 Buffer 中的数据写入到数组中public ByteBuffer get(byte[] dst)
附一个经常使用的方法:
new String(buffer.array()).trim();
当然了,除了将数据从 Buffer 取出来使用,更常见的操作是将我们写入的数据传输到 Channel 中,如通过 FileChannel 将数据写入到文件中,通过 SocketChannel 将数据写入网络发送到远程机器等。对应的,这种操作,我们称之为写操作。
int num = channel.write(buf);
mark() & reset()
除了 position、limit、capacity 这三个基本的属性外,还有一个常用的属性就是 mark。
mark 用于临时保存 position 的值,每次调用 mark() 方法都会将 mark 设值为当前的 position,便于后续需要的时候使用。
public final Buffer mark() { mark = position; return this;}
那到底什么时候用呢?考虑以下场景,我们在 position 为 5 的时候,先 mark() 一下,然后继续往下读,读到第 10 的时候,我想重新回到 position 为 5 的地方重新来一遍,那只要调一下 reset() 方法,position 就回到 5 了。
public final Buffer reset() { int m = mark; if (m < 0) throw new InvalidMarkException(); position = m; return this;}
rewind() & clear() & compact()
rewind():会重置 position 为 0,通常用于重新从头读写 Buffer。
public final Buffer rewind() { position = 0; mark = -1; return this;}
clear():有点重置 Buffer 的意思,相当于重新实例化了一样。
通常,我们会先填充 Buffer,然后从 Buffer 读取数据,之后我们再重新往里填充新的数据,我们一般在重新填充之前先调用 clear()。
public final Buffer clear() { position = 0; limit = capacity; mark = -1; return this;}
compact():和 clear() 一样的是,它们都是在准备往 Buffer 填充新的数据之前调用。
前面说的 clear() 方法会重置几个属性,但是我们要看到,clear() 方法并不会将 Buffer 中的数据清空,只不过后续的写入会覆盖掉原来的数据,也就相当于清空了数据了。
而 compact() 方法有点不一样,调用这个方法以后,会先处理还没有读取的数据,也就是 position 到 limit 之间的数据(还没有读过的数据),先将这些数据移到左边,然后在这个基础上再开始写入。很明显,此时 limit 还是等于 capacity,position 指向原来数据的右边。
Channel
所有的 NIO 操作始于通道,通道是数据来源或数据写入的目的地,主要地,我们将关心 java.nio 包中实现的以下几个 Channel:
- FileChannel:文件通道,用于文件的读和写
- DatagramChannel:用于 UDP 连接的接收和发送
- SocketChannel:把它理解为 TCP 连接通道,简单理解就是 TCP 客户端
- ServerSocketChannel:TCP 对应的服务端,用于监听某个端口进来的请求
这里不是很理解这些也没关系,后面介绍了代码之后就清晰了。还有,我们最应该关注,也是后面将会重点介绍的是 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。
Channel 经常翻译为通道,类似 IO 中的流,用于读取和写入。它与前面介绍的 Buffer 打交道,读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中,而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。
至少读者应该记住一点,这两个方法都是 channel 实例的方法。
FileChannel
我想文件操作对于大家来说应该是最熟悉的,不过我们在说 NIO 的时候,其实 FileChannel 并不是关注的重点。而且后面我们说非阻塞的时候会看到,FileChannel 是不支持非阻塞的。
这里算是简单介绍下常用的操作吧,感兴趣的读者瞄一眼就是了。
初始化:
FileInputStream inputStream = new FileInputStream(new File("/data.txt"));FileChannel fileChannel = inputStream.getChannel();
当然了,我们也可以从 RandomAccessFile#getChannel 来得到 FileChannel。
读取文件内容:
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);int num = fileChannel.read(buffer);
前面我们也说了,所有的 Channel 都是和 Buffer 打交道的。
写入文件内容:
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);buffer.put("随机写入一些内容到 Buffer 中".getBytes());// Buffer 切换为读模式buffer.flip();while(buffer.hasRemaining()) { // 将 Buffer 中的内容写入文件 fileChannel.write(buffer);}
SocketChannel
我们前面说了,我们可以将 SocketChannel 理解成一个 TCP 客户端。虽然这么理解有点狭隘,因为我们在介绍 ServerSocketChannel 的时候会看到另一种使用方式。
打开一个 TCP 连接:
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80));
当然了,上面的这行代码等价于下面的两行:
// 打开一个通道SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();// 发起连接socketChannel.connect(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80));
SocketChannel 的读写和 FileChannel 没什么区别,就是操作缓冲区。
// 读取数据socketChannel.read(buffer);// 写入数据到网络连接中while(buffer.hasRemaining()) { socketChannel.write(buffer); }
不要在这里停留太久,先继续往下走。
ServerSocketChannel
之前说 SocketChannel 是 TCP 客户端,这里说的 ServerSocketChannel 就是对应的服务端。
ServerSocketChannel 用于监听机器端口,管理从这个端口进来的 TCP 连接。
// 实例化ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();// 监听 8080 端口serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));while (true) { // 一旦有一个 TCP 连接进来,就对应创建一个 SocketChannel 进行处理 SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();}
这里我们可以看到 SocketChannel 的第二个实例化方式
到这里,我们应该能理解 SocketChannel 了,它不仅仅是 TCP 客户端,它代表的是一个网络通道,可读可写。
ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了,因为它并不实际处理数据,它一旦接收到请求后,实例化 SocketChannel,之后在这个连接通道上的数据传递它就不管了,因为它需要继续监听端口,等待下一个连接。
DatagramChannel
UDP 和 TCP 不一样,DatagramChannel 一个类处理了服务端和客户端。
科普一下,UDP 是面向无连接的,不需要和对方握手,不需要通知对方,就可以直接将数据包投出去,至于能不能送达,它是不知道的
监听端口:
DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);channel.receive(buf);
发送数据:
String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);buf.put(newData.getBytes());buf.flip();int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));
Selector
NIO 三大组件就剩 Selector 了,Selector 建立在非阻塞的基础之上,大家经常听到的 多路复用 在 Java 世界中指的就是它,用于实现一个线程管理多个 Channel。
读者在这一节不能消化 Selector 也没关系,因为后续在介绍非阻塞 IO 的时候还得说到这个,这里先介绍一些基本的接口操作。
首先,我们开启一个 Selector。你们爱翻译成选择器也好,多路复用器也好。
Selector selector = Selector.open();
将 Channel 注册到 Selector 上。前面我们说了,Selector 建立在非阻塞模式之上,所以注册到 Selector 的 Channel 必须要支持非阻塞模式,FileChannel 不支持非阻塞,我们这里讨论最常见的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。
// 将通道设置为非阻塞模式,因为默认都是阻塞模式的channel.configureBlocking(false);// 注册SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
register 方法的第二个 int 型参数(使用二进制的标记位)用于表明需要监听哪些感兴趣的事件,共以下四种事件:
SelectionKey.OP_READ
对应 00000001,通道中有数据可以进行读取
SelectionKey.OP_WRITE
对应 00000100,可以往通道中写入数据
SelectionKey.OP_CONNECT
对应 00001000,成功建立 TCP 连接
SelectionKey.OP_ACCEPT
对应 00010000,接受 TCP 连接
我们可以同时监听一个 Channel 中的发生的多个事件,比如我们要监听 ACCEPT 和 READ 事件,那么指定参数为二进制的 00010001 即十进制数值 17 即可。
注册方法返回值是 SelectionKey 实例,它包含了 Channel 和 Selector 信息,也包括了一个叫做 Interest Set 的信息,即我们设置的我们感兴趣的正在监听的事件集合。
调用 select() 方法获取通道信息。用于判断是否有我们感兴趣的事件已经发生了。
Selector 的操作就是以上 3 步,这里来一个简单的示例,大家看一下就好了。之后在介绍非阻塞 IO 的时候,会演示一份可执行的示例代码。
Selector selector = Selector.open();channel.configureBlocking(false);SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);while(true) { // 判断是否有事件准备好 int readyChannels = selector.select(); if(readyChannels == 0) continue; // 遍历 Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator(); while(keyIterator.hasNext()) { SelectionKey key = keyIterator.next(); if(key.isAcceptable()) { // a connection was accepted by a ServerSocketChannel. } else if (key.isConnectable()) { // a connection was established with a remote server. } else if (key.isReadable()) { // a channel is ready for reading } else if (key.isWritable()) { // a channel is ready for writing } keyIterator.remove(); }}
对于 Selector,我们还需要非常熟悉以下几个方法:
select()
调用此方法,会将上次 select 之后的准备好的 channel 对应的 SelectionKey 复制到 selected set 中。如果没有任何通道准备好,这个方法会阻塞,直到至少有一个通道准备好。
selectNow()
功能和 select 一样,区别在于如果没有准备好的通道,那么此方法会立即返回 0。
select(long timeout)
看了前面两个,这个应该很好理解了,如果没有通道准备好,此方法会等待一会
wakeup()
这个方法是用来唤醒等待在 select() 和 select(timeout) 上的线程的。如果 wakeup() 先被调用,此时没有线程在 select 上阻塞,那么之后的一个 select() 或 select(timeout) 会立即返回,而不会阻塞,当然,它只会作用一次。
小结
到此为止,介绍了 Buffer、Channel 和 Selector 的常见接口。
Buffer 和数组差不多,它有 position、limit、capacity 几个重要属性。put() 一下数据、flip() 切换到读模式、然后用 get() 获取数据、clear() 一下清空数据、重新回到 put() 写入数据。
Channel 基本上只和 Buffer 打交道,最重要的接口就是 channel.read(buffer) 和 channel.write(buffer)。
Selector 用于实现非阻塞 IO,这里仅仅介绍接口使用,后续请关注非阻塞 IO 的介绍。
(全文完)
免责声明:
① 本站未注明“稿件来源”的信息均来自网络整理。其文字、图片和音视频稿件的所属权归原作者所有。本站收集整理出于非商业性的教育和科研之目的,并不意味着本站赞同其观点或证实其内容的真实性。仅作为临时的测试数据,供内部测试之用。本站并未授权任何人以任何方式主动获取本站任何信息。
② 本站未注明“稿件来源”的临时测试数据将在测试完成后最终做删除处理。有问题或投稿请发送至: 邮箱/279061341@qq.com QQ/279061341
软考中级精品资料免费领
- 历年真题答案解析
- 备考技巧名师总结
- 高频考点精准押题
- 资料下载
- 历年真题
193.9 KB下载数265
191.63 KB下载数245
143.91 KB下载数1148
183.71 KB下载数642
644.84 KB下载数2756
相关文章
发现更多好内容- 如何在 Java 中获取 Word 文档内容?(java怎么获取word文档内容)
- 如何在 Java 集成测试中应用 Spock 框架?(Spock框架在Java集成测试中的应用)
- Dapr 究竟为 Java 生态系统带来了哪些贡献?(Dapr对Java生态系统有何贡献)
- 如何在 Java 中解析 XML 字符串?(java怎么解析xml字符串)
- Java 中常见的跳出循环的方式有哪些?(Java跳出循环的方式有哪些)
- Java Arrays 类中 copyOfRange 的使用场景有哪些?(Java Arrays类中copyOfRange的使用场景)
- 如何设置 Java Kubernetes 安全策略?(java kubernetes安全策略如何设置)
- 有哪些常用的 java 文本编辑器?(常用的java文本编辑器有哪些)
- Java中 AOP 的应用场景具体有哪些?(java中aop的应用场景有哪些)
- 如何在 Java 中实现踢人下线功能?(Java怎么实现踢人下线功能)