IT服务|华为二面!!!面试官直接问我Java中到底什么是NIO(这不是直接送分题???)
华为二面!!!面试官直接问我Java中到底什么是NIO?这不是直接送分题???
- 什么是NIO
- 缓冲区(Buffer)
-
- 缓冲区类型
- 获取缓冲区
- 核心属性
- 核心方法
- 非直接缓冲区和直接缓冲区
-
- 非直接缓冲区
- 直接缓冲区
- 通道(Channel)
-
- Java Channel
-
- 获得通道的方法
-
- 对象调用getChannel() 方法
- getChannel()+非直接缓冲区
- open()+直接缓冲区
- 通道间直接传输
- 直接缓冲区VS非直接缓冲区
- 分散和聚集
- 非阻塞式网络通信
-
- 概念
- 阻塞式网络通信
- 非阻塞式网络通信
-
- 选择器
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什么是NIO Java NIO(New IO)是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API,可以替代标准的Java IO API。NIO与原来的IO有同样的作用和目的,但是使用的方式完全不同,NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。
IO | NIO |
---|---|
面向流(Stream Oriented) | 面向缓冲区(Buffer Oriented) |
阻塞IO(Blocking IO) | 非阻塞IO(NonBlocking IO) |
选择器(Selectors) |
缓冲区(Buffer) 缓冲区类型 Buffer 就像一个数组,可以保存多个相同类型的数据。根据数据类型不同(boolean 除外) ,有以下Buffer 常用子类
- ByteBuffer
- CharBuffer
- ShortBuffer
- IntBuffer
- LongBuffer
- FloatBuffer
- DoubleBuffer
【IT服务|华为二面!!!面试官直接问我Java中到底什么是NIO(这不是直接送分题???)】ByteBuffer
final byte[] hb;
// Non-null only for heap buffersCopy
IntBuffer
final int[] hb;
// Non-null only for heap buffers
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获取缓冲区 通过allocate方法可以获取一个对应缓冲区的对象,它是缓冲区类的一个静态方法
例
// 获取一个容量大小为1024字节的字节缓冲区
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
核心属性 缓冲区的父类Buffer中有几个核心属性,如下
// Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
private int mark = -1;
private int position = 0;
private int limit;
private int capacity;
Copy
- capacity:缓冲区的容量。通过构造函数赋予,一旦设置,无法更改
- limit:缓冲区的界限。位于limit 后的数据不可读写。缓冲区的限制不能为负,并且不能大于其容量
- position:下一个读写位置的索引(类似PC)。缓冲区的位置不能为负,并且不能大于limit
- mark:记录当前position的值。position被改变后,可以通过调用reset() 方法恢复到mark的位置。
mark <= position <= limit <= capacity
核心方法 put()方法
- put()方法可以将一个数据放入到缓冲区中。
- 进行该操作后,postition的值会+1,指向下一个可以放入的位置。capacity = limit ,为缓冲区容量的值。
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flip()方法
- flip()方法会切换对缓冲区的操作模式,由写->读 / 读->写
- 进行该操作后
- 如果是写模式->读模式,position = 0 , limit 指向最后一个元素的下一个位置,capacity不变
- 如果是读->写,则恢复为put()方法中的值
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get()方法
- get()方法会读取缓冲区中的一个值
- 进行该操作后,position会+1,如果超过了limit则会抛出异常
- 该方法只能在读模式下使用
- rewind()方法后,会恢复position、limit和capacity的值,变为进行get()前的值
- clean()方法会将缓冲区中的各个属性恢复为最初的状态,position = 0, capacity = limit
- 此时缓冲区的数据依然存在,处于“被遗忘”状态,下次进行写操作时会覆盖这些数据
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mark()和reset()方法
- mark()方法会将postion的值保存到mark属性中
- reset()方法会将position的值改为mark中保存的值
import java.nio.ByteBuffer;
public class demo1 {
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
System.out.println("放入前参数");
System.out.println("position " + byteBuffer.position());
System.out.println("limit " + byteBuffer.limit());
System.out.println("capacity " + byteBuffer.capacity());
System.out.println();
System.out.println("------put()------");
System.out.println("放入3个数据");
byte bt = 1;
byteBuffer.put(bt);
byteBuffer.put(bt);
byteBuffer.put(bt);
System.out.println("放入后参数");
System.out.println("position " + byteBuffer.position());
System.out.println("limit " + byteBuffer.limit());
System.out.println("capacity " + byteBuffer.capacity());
System.out.println();
System.out.println("------flip()-get()------");
System.out.println("读取一个数据");
// 切换模式
byteBuffer.flip();
byteBuffer.get();
System.out.println("读取后参数");
System.out.println("position " + byteBuffer.position());
System.out.println("limit " + byteBuffer.limit());
System.out.println("capacity " + byteBuffer.capacity());
System.out.println();
System.out.println("------rewind()------");
byteBuffer.rewind();
System.out.println("恢复后参数");
System.out.println("position " + byteBuffer.position());
System.out.println("limit " + byteBuffer.limit());
System.out.println("capacity " + byteBuffer.capacity());
System.out.println();
System.out.println("------clear()------");
// 清空缓冲区,这里只是恢复了各个属性的值,但是缓冲区里的数据依然存在
// 但是下次写入的时候会覆盖缓冲区中之前的数据
byteBuffer.clear();
System.out.println("清空后参数");
System.out.println("position " + byteBuffer.position());
System.out.println("limit " + byteBuffer.limit());
System.out.println("capacity " + byteBuffer.capacity());
System.out.println();
System.out.println("清空后获得数据");
System.out.println(byteBuffer.get());
}
}
放入前参数
position 0
limit 1024
capacity 1024------put()------
放入3个数据
放入后参数
position 3
limit 1024
capacity 1024------flip()-get()------
读取一个数据
读取后参数
position 1
limit 3
capacity 1024------rewind()------
恢复后参数
position 0
limit 3
capacity 1024------clear()------
清空后参数
position 0
limit 1024
capacity 1024清空后获得数据
1Process finished with exit code 0
非直接缓冲区和直接缓冲区 非直接缓冲区 通过allocate()方法获取的缓冲区都是非直接缓冲区。这些缓冲区是建立在JVM堆内存之中的。
public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
if (capacity < 0)
throw new IllegalArgumentException();
// 在堆内存中开辟空间
return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}HeapByteBuffer(int cap, int lim) {// package-private
// new byte[cap] 创建数组,在堆内存中开辟空间
super(-1, 0, lim, cap, new byte[cap], 0);
/*
hb = new byte[cap];
offset = 0;
*/
}
通过非直接缓冲区,想要将数据写入到物理磁盘中,或者是从物理磁盘读取数据。都需要经过JVM和操作系统,数据在两个地址空间中传输时,会copy一份保存在对方的空间中。所以费直接缓冲区的读取效率较低.。
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直接缓冲区 只有ByteBuffer可以获得直接缓冲区,通过allocateDirect()获取的缓冲区为直接缓冲区,这些缓冲区是建立在物理内存之中的。
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
return new DirectByteBuffer(capacity);
}DirectByteBuffer(int cap) {// package-private
...
// 申请物理内存
boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
...
}
直接缓冲区通过在操作系统和JVM之间创建物理内存映射文件加快缓冲区数据读/写入物理磁盘的速度。放到物理内存映射文件中的数据就不归应用程序控制了,操作系统会自动将物理内存映射文件中的数据写入到物理内存中。
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通道(Channel) Channel由java.nio.channels 包定义的。Channel 表示IO 源与目标打开的连接。Channel 类似于传统的“流”。只不过Channel 本身不能直接访问数据,Channel 只能与Buffer 进行交互 。
应用程序进行读写操作调用函数时,底层调用的操作系统提供给用户的读写API,调用这些API时会生成对应的指令,CPU则会执行这些指令。在计算机刚出现的那段时间,所有读写请求的指令都有CPU去执行,过多的读写请求会导致CPU无法去执行其他命令,从而CPU的利用率降低。
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后来,DMA(Direct Memory Access,直接存储器访问)出现了。当IO请求传到计算机底层时,DMA会向CPU请求,让DMA去处理这些IO操作,从而可以让CPU去执行其他指令。DMA处理IO操作时,会请求获取总线的使用权。当IO请求过多时,会导致大量总线用于处理IO请求,从而降低效率 。
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于是便有了Channel(通道),Channel相当于一个专门用于IO操作的独立处理器,它具有独立处理IO请求的能力,当有IO请求时,它会自行处理这些IO请求 。
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Java Channel
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- 本地文件IO
- FileChannel
- 网络IO
- SocketChanel、ServerSocketChannel:用于TCP传输
- DatagramChannel:用于UDP传输
对象调用getChannel() 方法 获取通道的一种方式是对支持通道的对象调用getChannel() 方法。支持通道的类如下:
- FileInputStream
- FileOutputStream
- RandomAccessFile
- DatagramSocket
- Socket
- ServerSocket
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.nio.channels.DatagramChannel;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.file.Paths;
public class demo2 {public static void main(String[] args) throws IOException {// 本地通道
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("zwt");
FileChannel channel1 = fileInputStream.getChannel();
FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("zwt");
FileChannel channel2 = fileOutputStream.getChannel();
// 网络通道
Socket socket = new Socket();
SocketChannel channel3 = socket.getChannel();
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
ServerSocketChannel channel4 = serverSocket.getChannel();
DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket();
DatagramChannel channel5 = datagramSocket.getChannel();
// 最后要关闭通道FileChannel open = FileChannel.open(Paths.get("zwt"));
SocketChannel open1 = SocketChannel.open();
}
}
getChannel()+非直接缓冲区
- getChannel()获得通道
- allocate()获得非直接缓冲区
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class demo4 {
public static void main(String[] args) {
FileInputStream is = null;
FileOutputStream os = null;
// 获得通道
FileChannel inChannel = null;
FileChannel outChannel = null;
// 利用 try-catch-finally 保证关闭
try {
is = new FileInputStream("");
os = new FileOutputStream("");
// 获得通道
inChannel = is.getChannel();
outChannel = os.getChannel();
// 获得缓冲区,用于在通道中传输数据
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 循环将字节数据放入到buffer中,然后写入磁盘中
while (inChannel.read(byteBuffer) != -1) {
// 切换模式
byteBuffer.flip();
outChannel.write(byteBuffer);
byteBuffer.clear();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (inChannel != null) {
try {
inChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (outChannel != null) {
try {
outChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (is != null) {
try {
is.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (os != null) {
try {
os.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
open()+直接缓冲区
- 通过open获得通道
- 通过FileChannel.map()获取直接缓冲区
import java.io.IOException;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardOpenOption;
public class demo5 {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 通过open()方法来获得通道
FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get(""), StandardOpenOption.READ);
// outChannel需要为 READ WRITE CREATE模式
// READ WRITE是因为后面获取直接缓冲区时模式为READ_WRITE模式
// CREATE是因为要创建新的文件
FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get(""), StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
// 获得直接缓冲区
MappedByteBuffer inMapBuf = inChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, inChannel.size());
MappedByteBuffer outMapBuf = outChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, inChannel.size());
// 字节数组
byte[] bytes = new byte[inMapBuf.limit()];
// 因为是直接缓冲区,可以直接将数据放入到内存映射文件,无需通过通道传输
inMapBuf.get(bytes);
outMapBuf.put(bytes);
// 关闭缓冲区,这里没有用try-catch-finally
inChannel.close();
outChannel.close();
}
}
通道间直接传输
public static void channelToChannel() throws IOException {
long start = System.currentTimeMillis();
// 通过open()方法来获得通道
FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get(""), StandardOpenOption.READ);
// outChannel需要为 READ WRITE CREATE模式
// READ WRITE是因为后面获取直接缓冲区时模式为READ_WRITE模式
// CREATE是因为要创建新的文件
FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get(""), StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
// 通道间直接传输
inChannel.transferTo(0, inChannel.size(), outChannel);
// 对应的还有transferFrom
// outChannel.transferFrom(inChannel, 0, inChannel.size());
inChannel.close();
outChannel.close();
}
直接缓冲区VS非直接缓冲区
// getChannel() + 非直接缓冲区耗时
708
// open() + 直接缓冲区耗时
115
// channel transferTo channel耗时
47直接缓冲区的读写速度虽然很快,但是会占用很多很多内存空间。如果文件过大,会使得计算机运行速度变慢
分散和聚集 分散读取
分散读取(Scattering Reads)是指从Channel 中读取的数据“分散”到多个Buffer 中。
注意:按照缓冲区的顺序,从Channel 中读取的数据依次将 Buffer 填满。
聚集写入
聚集写入(Gathering Writes)是指将多个Buffer 中的数据“聚集”到Channel。
按照缓冲区的顺序,写入position 和limit 之间的数据到Channel。
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class demo6 {
public static void main(String[] args) throws IOException {
FileInputStream is = new FileInputStream("");
FileOutputStream os = new FileOutputStream("");
FileChannel inChannel = is.getChannel();
FileChannel outChannel = os.getChannel();
// 获得多个缓冲区,并且放入到缓冲区数组中
ByteBuffer byteBuffer1 = ByteBuffer.allocate(50);
ByteBuffer byteBuffer2 = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer[] byteBuffers = {byteBuffer1, byteBuffer2};
// 分散读取
inChannel.read(byteBuffers);
byteBuffer1.flip();
byteBuffer2.flip();
// 聚集写入
outChannel.write(byteBuffers);
}
}
非阻塞式网络通信 概念 底层原理可见:操作系统-文件IO
比喻:
举个你去饭堂吃饭的例?,你好??户程序,饭堂好?操作系统。阻塞 I/O 好?,
你去饭堂吃饭,但是饭堂的菜还没做好,然后你就?直在那?等啊等,等了好??段时间终于等到饭堂阿姨把菜端了出来(数据准备的过程),但是你还得继续等阿姨把菜(内核空间)打到你的饭盒?(?户空间),经历完这两个过程,你才可以离开。?阻塞 I/O 好?,
你去了饭堂,问阿姨菜做好了没有,阿姨告诉你没,你就离开了,过??分钟,你?来,饭堂问阿姨,阿姨说做好了,于是阿姨帮你把菜打到你的饭盒?,这个过程你是得等待的。基于?阻塞的 I/O 多路复?好?,
你去饭堂吃饭,发现有?排窗?,饭堂阿姨告诉你这些窗?都还没做好菜,等做好了再通知你,于是等啊等( select 调?中),过了?会阿姨通知你菜做好了,但是不知道哪个窗?的菜做好了,你??看吧。于是你只能?个?个窗?去确认,后?发现 5 号窗?菜做好了,于是你让 5 号窗?的阿姨帮你打菜到饭盒?,这个打菜的过程你是要等待的,虽然时间不?。打完菜后,你?然就可以离开了。异步 I/O 好?,
你让饭堂阿姨将菜做好并把菜打到饭盒?后,把饭盒送到你?前,整个过程你都不需要任何等待。
阻塞式网络通信
package NIOAndBIO;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardOpenOption;
public class BIO {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
try {
server();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
try {
client();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
});
thread1.start();
thread2.start();
}public static void client() throws IOException {
// 创建客户端通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 2022));
// 读取信息 D:\\bizhi\\bizhi202008\\wallhaven-kwp2qq.jpg
FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("D:\\\\bizhi\\\\bizhi202008\\\\wallhaven-kwp2qq.jpg"), StandardOpenOption.READ);
// 创建缓冲区
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 写入数据
while (fileChannel.read(byteBuffer) != -1) {
byteBuffer.flip();
socketChannel.write(byteBuffer);
byteBuffer.clear();
}fileChannel.close();
socketChannel.close();
}public static void server() throws IOException {
// 创建服务端通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("D:\\\\bizhi\\\\bizhi202008\\\\wallhaven-kwp2qq.jpg"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
// 绑定链接
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(2022));
// 获取客户端的通道
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
// 创建缓冲区
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
while (socketChannel.read(byteBuffer) != -1) {
byteBuffer.flip();
fileChannel.write(byteBuffer);
byteBuffer.clear();
}socketChannel.close();
fileChannel.close();
serverSocketChannel.close();
}
}
非阻塞式网络通信
package NIOAndBIO;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Scanner;
public class NIO {
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(()->{
try {
server();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
});
Thread thread2 = new Thread(()->{
try {
client();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
});
thread1.start();
thread2.start();
}public static void client() throws IOException {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 2020));
// 设置为非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (scanner.hasNext()) {
String str = scanner.next();
byteBuffer.put(str.getBytes());
byteBuffer.flip();
socketChannel.write(byteBuffer);
byteBuffer.clear();
}byteBuffer.clear();
socketChannel.close();
}public static void server() throws IOException {
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(2020));
// 获得选择器
Selector selector = Selector.open();
// 将通道注册到选择器中,设定为接收操作
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 轮询接受
while (selector.select() > 0) {
Iterator iterator = selector.selectedKeys().iterator();
// 获得事件的key
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
if (key.isAcceptable()) {
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
// 从选择器中获取通道
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
while (socketChannel.read(byteBuffer) != -1) {
int len = byteBuffer.limit();
byteBuffer.flip();
System.out.println(new String(byteBuffer.array(), 0, len));
byteBuffer.clear();
}
socketChannel.close();
}
iterator.remove();
}
}
serverSocketChannel.close();
}
}
选择器
选择器(Selector)是SelectableChannle 对象的多路复用器,Selector 可以同时监控多个SelectableChannel 的IO 状况,也就是说,利用Selector 可使一个单独的线程管理多个Channel。Selector 是非阻塞IO 的核心 。
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选择器的创建
// 创建一个选择器
Selector selector = Selector.open();
绑定选择器
通过调用通道的register方法可以绑定选择器,register方法有两个参数
- Selector:即绑定哪个选择器
- ops:监听事件类型。ops有4个值可以选择,为SelectionKey的静态属性
// 让选择器监听一种状态
myChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
// 让选择器监听多种状态
myChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT);
SelectionKey
表示SelectableChannel 和Selector 之间的注册关系。每次向选择器注册通道时就会选择一个事件(选择键)。选择键包含两个表示为整数值的操作集。操作集的每一位都表示该键的通道所支持的一类可选择操作。
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