大饼先生 2006-8-30 13:25
[原创]介绍及应用JAVA NEW I/O
基于旧的I/O的传统网络程序描述如下：
1)打开一个ServerSocket监听端口
2)程序在这里阻塞，直到有连接请求
3)读取请求、发送请求
4)关闭连接
5)重复2~4步
这就是传统的阻塞I/O操作，线程没有有效地利用cup，它们将大多数时间花费在I/O的阻塞上，所以这种线程是低效率的。
而非阻塞I/O以新的方式解决了阻塞问题，可以提高系统的效率。
NIO（new I/O）引入了四个概念：
·线性排列的数据缓冲，可读写缓冲
·一个字节码与Unicode字符的字符集映射
·双向通道Channels
·选择器Selectors
下面先来说说数据缓冲Buffer。
在一个Buffer中，position代表当前Buffer即将处理字节的位置，limit代表第一个不能被读写的字节，capacity代表容量。对初始化的Buffer来说，position为0，limti=capacity。
在NIO中，通过Channel读写Buffer的数据。将一个Buffer中的数据写入Channel时必须调用Buffer对象的flip()方法。比如有以下代码：
ByteBuffer bb = ByteBuffer.allcateDirect(1024);
bb.put("this is a test".getBytes());
这两句的意思是：分配一个容量为1024的直接的ByteBuffer，通过put(byte[] b)方法将字符串存入到这个缓冲区bb里。而存在以下代码：
FileOutputStream out = new FileOutputStream("test.txt");
FileChannel channel = out.getChannel();
这时，当我们想把ByteBuffer对象里的数据写入到test.txt时，可以调用FileChannel的write(ByteBuffer)方法，但在这之前一定要先执行bb.flip()，然后再调用channel.write(bb);
flip()方法将缓冲区的position设为0，将limit设为现有数据的最后值。
如果不先调用flip()，则向test.txt里写入的东西就是空的~。
ByteBuffer是Buffer的子类，都位于java.nio包下面，该包下面还封装了其它基本数据类型的buffer，可以通过ByteBuffer的asCharBuffer()等方法得到其它基本类型的Buffer:
java.nio包如下：
ByteOrder 字节顺序的类型安全枚举。
Buffer 一种用于特定的基本类型数据的容器。
ByteBuffer 字节缓冲区。
CharBuffer 字符缓冲区。
DoubleBuffer double 缓冲区。
FloatBuffer float 缓冲区。
IntBuffer int 缓冲区。
LongBuffer long 缓冲区。
MappedByteBuffer 直接字节缓冲区，其内容是文件的内存映射区域。
ShortBuffer short 缓冲区。
以下是来自java API里关于java.nio的buffer的描绘：
[quote]
软件包 java.nio 的描述
定义作为数据容器的缓冲区，并提供其他 NIO 包的概述。
NIO API 的集中抽象为：
缓冲区，它们是数据容器；
字符集 及其相关解码器 和编码器，
它们在字节和 Unicode 字符之间进行转换；
各种类型的通道，它们表示到能够执行 IO 操作的
实体的连接；以及选择器 和选择键，它们与
可选择信道 一起定义了多路的、无阻塞的
I/O 设施。
java.nio 包定义了缓冲区类，这些类用于所有 NIO API。java.nio.charset 包中定义了字符集 API，java.nio.channels 包中定义了信道和选择器 API。每个子包都具有自己的服务提供程序接口 (SPI) 子包，SPI 子包的内容可用于扩展平台的默认实现或构造替代实现。
缓冲区
描述
Buffer 位置，界限和容量；
清除，反转，重绕和标记/重置
ByteBuffer Get/put，压缩，查看；分配，包装
MappedByteBuffer 映射到文件的字节缓冲区
CharBuffer Get/put，压缩；分配，包装
DoubleBuffer ' '
FloatBuffer ' '
IntBuffer ' '
LongBuffer ' '
ShortBuffer ' '
ByteOrder 字节顺序的类型安全的枚举
缓冲区 是一个固定数据量的指定基本类型的数据容器。除内容之外，缓冲区还具有位置 和界限，其中位置是要读写的下一个元素的索引，界限是第一个应该读写的元素的索引。基本 Buffer 类定义了这些属性以及清除、反转 和重绕 方法，用以标记 当前位置，以及将当前位置重置 为前一个标记处。
每个非布尔基本类型都有一个缓冲区类。每个类定义了一系列用于将数据移出或移入缓冲区的 get 和 put 方法，用于压缩、复制 和切片 缓冲区的方法，以及用于分配 新缓冲区和将现有数组包装 到缓冲区中的静态方法。
因为字节缓冲区可以用作 I/O 操作的源缓冲区和目标缓冲区，所以可以对它们加以区分。它们还支持其他缓冲区类所没有的几个特性：
可以将字节缓冲区分配为一个直接 缓冲区，在这种情况下，Java 虚拟机将最大限度地直接在缓冲区上执行本机 I/O 操作。
可以通过 mapping 将文件区域直接包装到内存中来创建字节缓冲区，在这种情况下，可以使用 MappedByteBuffer 类中定义的几个其他文件相关的操作。
字节缓冲区提供了对其内容的访问（其内容作为任何非布尔基本类型的异类或同类二进制数据序列），访问要么是以 big-endian 字节顺序进行，要么是以 little-endian 字节顺序进行。
除非另有说明，否则向此包的任何类或接口中的构造方法或方法传递 null 变量，都会抛出 NullPointerException。[/quote]
[[i] 本帖最后由 大饼先生 于 2006-8-30 14:21 编辑 [/i]]
大饼先生 2006-8-30 14:56
字节码与Unicode字符的字符集映射
当需要将CharBuffer的存放的数据编码成ByteBuffer，再将ByteBuffer里存的数据解码成CharBuffer，这时候就要用到java.nio.charset.CharsetEncoder和java.nio.charset.CharsetDecoder了~~
（其实ByteBuffer有个asCharBuffer可以直接将ByteBuffer里的字节数据转换成字符数据的，但Charset类提供各种字符集比如utf-8、iso-8895-1等字符集的映射，可以将CharBuffer里的数据编码成各种格式的编码，然后再由CharsetDecoder解码）！下面是一个完整的程序代码，简单的展示了CharBuffer和ByteBuffer之间编码的转换：
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.charset.*;
public class CharsetTest {
private ByteBuffer bb = null;
private String s = "this is a test";
public ByteBuffer encoder(){
CharBuffer cb = CharBuffer.wrap(s);
Charset cs = Charset.forName("UTF-8");
CharsetEncoder ce = cs.newEncoder();
try {
bb = ce.encode(cb); //将CharBuffer编码成ByteBuffer
} catch (CharacterCodingException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
return bb;
}
public static void main(String[] args){
CharsetTest ct = new CharsetTest();
ByteBuffer bb = ct.encoder();
Charset c = Charset.forName("UTF-8");
CharsetDecoder cd = c.newDecoder();
CharBuffer cb = null;
try {
cb = cd.decode(bb);
} catch (CharacterCodingException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
System.out.println(cb);
}
}
值得注意的是编码的转换顺序。encode方法将unicode编码转换为指定编码，而decode方法将指定编码转换为unicode编码。
在Java中，String类型和char类型都是使用的unicode编码
[[i] 本帖最后由 大饼先生 于 2006-8-30 14:58 编辑 [/i]]
大饼先生 2006-8-31 13:40
NIO的核心技术：Selector、SelectableChannel和SelectionKey
说上面的三个类是NIO的核心技术我觉得一点都不为过~~
因为缓冲技术、字符集映射都是为它们准备的~~
三者位于java.nio.channels这个包里
Selector选择器，它将为我们监听所有的I/O操作，可以通过select()阻塞方法来确定什么时候在Channel中有数据流需要处理。可以由Selector类的静态方法Selector.open()获得一个Selector实例。Selector对象和SelectableChannel 对象互为多路复用器。
可以通过某个通道的register()方法注册到已经存在的选择器Selector。register()方法的声明如下：
public final SelectionKey register(Selector sel, int ops)：向给定的选择器注册此通道，返回一个选择键。
其中，sel - 要向其注册此通道的选择器，ops - 所得键的可用操作集 。
ops可以有四个选择：
SelectionKey.OP_ACCEPT： 用于套接字接受操作的操作集位。
SelectionKey.OP_CONNECT: 用于套接字连接操作的操作集位。
SelectionKey.OP_READ: 用于读取操作的操作集位。
SelectionKey.OP_WRITE: 用于写入操作的操作集位。
register()是SelectableChannel中定义的方法，SelectableChannel是一个抽象类，实现它的子类有DatagramChannel, Pipe.SinkChannel, Pipe.SourceChannel, ServerSocketChannel, SocketChannel。
要生成一个SelecableChannel实例，可以调用其子类的静态方法open()，比如说生成一个ServerSocketChannel实例，可以调用:
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
再通过调用ssc.socket().bind(InetSocketAddress)将ssc绑定到指定ServerSocket。
SelectableChannel的configureBlocking(boolean b)方法，设置为false时即将该通道配置为非阻塞的。
必须将通道配置成非阻塞的，才可以向Selector注册：
ssc.configureBlocking(false);
SelectionKey sk = ssc.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
注册过以后，就可以调用selector.select()方法来选择一组相应的通道已为 I/O 操作准备就绪的键了。
下面有二组代码，一组是基于NIO的，另一种是旧I/O的，大家可以对比参考下：
旧I/O客户端:
Socket s = new Socket("localhost",1111);
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
String str;
while((str=in.readLine())!=null){
System.out.println(str);
}
旧I/O服务端:
ServerSocket ss = new ServerSocket(1111);
Socket c = ss.accept();
PrintWriter out = new PrintWriter(c.getOutputStream(),true);
out.write("hello,client".getBytes());
NIO客户端:
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
channel.connect(new InetSocketAddress("localhost",1111));
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(512);
channel.read(buffer);
NIO服务端:
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(1111));
ssc.configureBlocking(false);
ssc.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);
ssc.select();
java.util.Set keys = ssc.selectedKeys();
java.util.Iterator i = keys.iterator();
while(i.hasNext()){
SelectionKey key = i.next;
i.remove();
ServerSocketChannel serverSocket = (ServerSocketChannel)key.channel();
SocketChannel socket = serverSocket.accept();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.wrap("hello,client\n".getBytes());
socket.write(buf);
}
上面的NIO还保留了旧I/O的痕迹，还有待进一步改进~~