Java網絡編程與NIO詳解4:淺析NIO包中的Buffer、Channel 和 Selector

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該系列博文會告訴你如何從計算機網絡的基礎知識入手,一步步地學習Java網絡基礎,從socket到nio、bio、aio和netty等網絡編程知識,並且進行實戰,網絡編程是每一個Java後端工程師必須要學習和理解的知識點,進一步來說,你還需要掌握Linux中的網絡編程原理,包括IO模型、網絡編程框架netty的進階原理,才能更完整地瞭解整個Java網絡編程的知識體系,形成自己的知識框架。

爲了更好地總結和檢驗你的學習成果,本系列文章也會提供部分知識點對應的面試題以及參考答案。

如果對本系列文章有什麼建議,或者是有什麼疑問的話,也×××術江湖】聯繫作者,歡迎你參與本系列博文的創作和修訂。

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本文將介紹 Java NIO 中三大組件 Buffer、Channel、Selector 的使用。

本來要一起介紹非阻塞 IO 和 JDK7 的異步 IO 的,不過因爲之前的文章真的太長了,有點影響讀者閱讀,所以這裏將它們放到另一篇文章中進行介紹。

Buffer

一個 Buffer 本質上是內存中的一塊,我們可以將數據寫入這塊內存,之後從這塊內存獲取數據。

java.nio 定義了以下幾個 Buffer 的實現,這個圖讀者應該也在不少地方見過了吧。

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其實核心是最後的 ByteBuffer,前面的一大串類只是包裝了一下它而已,我們使用最多的通常也是 ByteBuffer。

我們應該將 Buffer 理解爲一個數組,IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分別對應 int[]、char[]、double[] 等。

MappedByteBuffer 用於實現內存映射文件,也不是本×××
我覺得操作 Buffer 和操作數組、類集差不多,只不過大部分時候我們都把它放到了 NIO 的場景裏面來使用而已。下面介紹 Buffer 中的幾個重要屬性和幾個重要方法。

position、limit、capacity

就像數組有數組容量,每次訪問元素要指定下標,Buffer 中也有幾個重要屬性:position、limit、capacity。

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最好理解的當然是 capacity,它代表這個緩衝區的容量,一旦設定就不可以更改。比如 capacity 爲 1024 的 IntBuffer,代表其一次可以存放 1024 個 int 類型的值。一旦 Buffer 的容量達到 capacity,需要清空 Buffer,才能重新寫入值。

position 和 limit 是變化的,我們分別看下讀和寫操作下,它們是如何變化的。

position 的初始值是 0,每往 Buffer 中寫入一個值,position 就自動加 1,代表下一次的寫入位置。讀操作的時候也是類似的,每讀一個值,position 就自動加 1。

從寫操作模式到讀操作模式切換的時候(flip),position 都會歸零,這樣就可以從頭開始讀寫了。

Limit:寫操作模式下,limit 代表的是最大能寫入的數據,這個時候 limit 等於 capacity。寫結束後,切換到讀模式,此時的 limit 等於 Buffer 中實際的數據大小,因爲 Buffer 不一定被寫滿了。

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初始化 Buffer

每個 Buffer 實現類都提供了一個靜態方法 allocate(int capacity) 幫助我們快速實例化一個 Buffer。如:

ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
IntBuffer intBuf = IntBuffer.allocate(1024);
LongBuffer longBuf = LongBuffer.allocate(1024);
// ...

另外,我們經常使用 wrap 方法來初始化一個 Buffer。

public static ByteBuffer wrap(byte[] array) {
    ...
}

填充 Buffer

各個 Buffer 類都提供了一些 put 方法用於將數據填充到 Buffer 中,如 ByteBuffer 中的幾個 put 方法:

// 填充一個 byte 值
public abstract ByteBuffer put(byte b);
// 在指定位置填充一個 int 值
public abstract ByteBuffer put(int index, byte b);
// 將一個數組中的值填充進去
public final ByteBuffer put(byte[] src) {...}
public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length) {...}

上述這些方法需要自己控制 Buffer 大小,不能超過 capacity,超過會拋 java.nio.BufferOverflowException 異常。

對於 Buffer 來說,另一個常見的操作中就是,我們要將來自 Channel 的數據填充到 Buffer 中,在系統層面上,這個操作我們稱爲讀操作,因爲數據是從外部(文件或網絡等)讀到內存中。

int num = channel.read(buf);

上述方法會返回從 Channel 中讀入到 Buffer 的數據大小。

提取 Buffer 中的值

前面介紹了寫操作,每寫入一個值,position 的值都需要加 1,所以 position 最後會指向最後一次寫入的位置的後面一個,如果 Buffer 寫滿了,那麼 position 等於 capacity(position 從 0 開始)。

如果要讀 Buffer 中的值,需要切換模式,從寫入模式切換到讀出模式。注意,通常在說 NIO 的讀操作的時候,我們說的是從 Channel 中讀數據到 Buffer 中,對應的是對 Buffer 的寫入操作,初學者需要理清楚這個。

調用 Buffer 的 flip() 方法,可以從寫入模式切換到讀取模式。其實這個方法也就是設置了一下 position 和 limit 值罷了。

public final Buffer flip() {
    limit = position; // 將 limit 設置爲實際寫入的數據數量
    position = 0; // 重置 position 爲 0
    mark = -1; // mark 之後再說
    return this;
}

對應寫入操作的一系列 put 方法,讀操作提供了一系列的 get 方法:

// 根據 position 來獲取數據
public abstract byte get();
// 獲取指定位置的數據
public abstract byte get(int index);
// 將 Buffer 中的數據寫入到數組中
public ByteBuffer get(byte[] dst)

附一個經常使用的方法:

new String(buffer.array()).trim();

當然了,除了將數據從 Buffer 取出來使用,更常見的操作是將我們寫入的數據傳輸到 Channel 中,如通過 FileChannel 將數據寫入到文件中,通過 SocketChannel 將數據寫入網絡發送到遠程機器等。對應的,這種操作,我們稱之爲寫操作

int num = channel.write(buf);

mark() & reset()

除了 position、limit、capacity 這三個基本的屬性外,還有一個常用的屬性就是 mark。

mark 用於臨時保存 position 的值,每次調用 mark() 方法都會將 mark 設值爲當前的 position,便於後續需要的時候使用。

public final Buffer mark() {
    mark = position;
    return this;
}

那到底什麼時候用呢?考慮以下場景,我們在 position 爲 5 的時候,先 mark() 一下,然後繼續往下讀,讀到第 10 的時候,我想重新回到 position 爲 5 的地方重新來一遍,那隻要調一下 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():會重置 position 爲 0,通常用於重新從頭讀寫 Buffer。

public final Buffer rewind() {
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

clear():有點重置 Buffer 的意思,相當於重新實例化了一樣。

通常,我們會先填充 Buffer,然後從 Buffer 讀取數據,之後我們再重新往裏填充新的數據,我們一般在重新填充之前先調用 clear()。

public final Buffer clear() {
    position = 0;
    limit = capacity;
    mark = -1;
    return this;
}

compact():和 clear() 一樣的是,它們都是在準備往 Buffer 填充新的數據之前調用。

前面說的 clear() 方法會重置幾個屬性,但是我們要看到,clear() 方法並不會將 Buffer 中的數據清空,只不過後續的寫入會覆蓋掉原來的數據,也就相當於清空了數據了。

而 compact() 方法有點不一樣,調用這個方法以後,會先處理還沒有讀取的數據,也就是 position 到 limit 之間的數據(還沒有讀過的數據),先將這些數據移到左邊,然後在這個基礎上再開始寫入。很明顯,此時 limit 還是等於 capacity,position 指向原來數據的右邊。

Channel

所有的 NIO 操作始於通道,通道是數據來源或數據寫入的目的地,主要地,我們將關心 java.nio 包中實現的以下幾個 Channel:

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  • FileChannel:文件通道,用於文件的讀和寫
  • DatagramChannel:用於 UDP 連接的接收和發送
  • SocketChannel:把它理解爲 TCP 連接通道,簡單理解就是 TCP 客戶端
  • ServerSocketChannel:TCP 對應的服務端,用於監聽某個端口進來的請求

這裏不是很理解這些也沒關係,後面介紹了代碼之後就清晰了。還有,我們最應該關注,也是後面將會重點介紹的是 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。

Channel 經常翻譯爲通道,類似 IO 中的流,用於讀取和寫入。它與前面介紹的 Buffer 打交道,讀操作的時候將 Channel 中的數據填充到 Buffer 中,而寫操作時將 Buffer 中的數據寫入到 Channel 中。

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至少讀者應該記住一點,這兩個方法都是 channel 實例的方法。

FileChannel

我想文件操作對於大家來說應該是最熟悉的,不過我們在說 NIO 的時候,其實 FileChannel 並不是關注的重點。而且後面我們說非阻塞的時候會看到,FileChannel 是不支持非阻塞的。

這裏算是簡單介紹下常用的操作吧,感興趣的讀者瞄一眼就是了。

初始化:

FileInputStream inputStream = new FileInputStream(new File("/data.txt"));
FileChannel fileChannel = inputStream.getChannel();

當然了,我們也可以從 RandomAccessFile#getChannel 來得到 FileChannel。

讀取文件內容:

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

int num = fileChannel.read(buffer);

前面我們也說了,所有的 Channel 都是和 Buffer 打交道的。

寫入文件內容:

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("隨機寫入一些內容到 Buffer 中".getBytes());
// Buffer 切換爲讀模式
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()) {
    // 將 Buffer 中的內容寫入文件
    fileChannel.write(buffer);
}

SocketChannel

我們前面說了,我們可以將 SocketChannel 理解成一個 TCP 客戶端。雖然這麼理解有點狹隘,因爲我們在介紹 ServerSocketChannel 的時候會看到另一種使用方式。

打開一個 TCP 連接:

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80));

當然了,上面的這行代碼等價於下面的兩行:

// 打開一個通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 發起連接
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80));

SocketChannel 的讀寫和 FileChannel 沒什麼區別,就是操作緩衝區。

// 讀取數據
socketChannel.read(buffer);

// 寫入數據到網絡連接中
while(buffer.hasRemaining()) {
    socketChannel.write(buffer);   
}

不要在這裏停留太久,先繼續往下走。

ServerSocketChannel

之前說 SocketChannel 是 TCP 客戶端,這裏說的 ServerSocketChannel 就是對應的服務端。

ServerSocketChannel 用於監聽機器端口,管理從這個端口進來的 TCP 連接。

// 實例化
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 監聽 8080 端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));

while (true) {
    // 一旦有一個 TCP 連接進來,就對應創建一個 SocketChannel 進行處理
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}

這裏我們可以看到 SocketChannel 的第二個實例化方式

到這裏,我們應該能理解 SocketChannel 了,它不僅僅是 TCP 客戶端,它代表的是一個網絡通道,可讀可寫。

ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了,因爲它並不實際處理數據,它一旦接收到請求後,實例化 SocketChannel,之後在這個連接通道上的數據傳遞它就不管了,因爲它需要繼續監聽端口,等待下一個連接。

DatagramChannel

UDP 和 TCP 不一樣,DatagramChannel 一個類處理了服務端和客戶端。

科普一下,UDP 是面向無連接的,不需要和對方握手,不需要通知對方,就可以直接將數據包投出去,至於能不能送達,它是不知道的

監聽端口:

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

channel.receive(buf);

發送數據:

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 三大組件就剩 Selector 了,Selector 建立在非阻塞的基礎之上,大家經常聽到的 多路複用 在 Java 世界中指的就是它,用於實現一個線程管理多個 Channel。

讀者在這一節不能消化 Selector 也沒關係,因爲後續在介紹非阻塞 IO 的時候還得說到這個,這裏先介紹一些基本的接口操作。

  1. 首先,我們開啓一個 Selector。你們愛翻譯成選擇器也好,多路複用器也好。

    Selector selector = Selector.open();
  2. 將 Channel 註冊到 Selector 上。前面我們說了,Selector 建立在非阻塞模式之上,所以註冊到 Selector 的 Channel 必須要支持非阻塞模式,FileChannel 不支持非阻塞,我們這裏討論最常見的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。

    // 將通道設置爲非阻塞模式,因爲默認都是阻塞模式的
    channel.configureBlocking(false);
    // 註冊
    SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

    register 方法的第二個 int 型參數(使用二進制的標記位)用於表明需要監聽哪些感興趣的事件,共以下四種事件:

    • SelectionKey.OP_READ

      對應 00000001,通道中有數據可以進行讀取

    • SelectionKey.OP_WRITE

      對應 00000100,可以往通道中寫入數據

    • SelectionKey.OP_CONNECT

      對應 00001000,成功建立 TCP 連接

    • SelectionKey.OP_ACCEPT

      對應 00010000,接受 TCP 連接

    我們可以同時監聽一個 Channel 中的發生的多個事件,比如我們要監聽 ACCEPT 和 READ 事件,那麼指定參數爲二進制的 00010001 即十進制數值 17 即可。

    註冊方法返回值是 SelectionKey 實例,它包含了 Channel 和 Selector 信息,也包括了一個叫做 Interest Set 的信息,即我們設置的我們感興趣的正在監聽的事件集合。

  3. 調用 select() 方法獲取通道信息。用於判斷是否有我們感興趣的事件已經發生了。

Selector 的操作就是以上 3 步,這裏來一個簡單的示例,大家看一下就好了。之後在介紹非阻塞 IO 的時候,會演示一份可執行的示例代碼。

Selector selector = Selector.open();

channel.configureBlocking(false);

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

while(true) {
  // 判斷是否有事件準備好
  int readyChannels = selector.select();
  if(readyChannels == 0) continue;

  // 遍歷
  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();
  }
}

對於 Selector,我們還需要非常熟悉以下幾個方法:

  1. select()

    調用此方法,會將上次 select 之後的準備好的 channel 對應的 SelectionKey 複製到 selected set 中。如果沒有任何通道準備好,這個方法會阻塞,直到至少有一個通道準備好。

  2. selectNow()

    功能和 select 一樣,區別在於如果沒有準備好的通道,那麼此方法會立即返回 0。

  3. select(long timeout)

    看了前面兩個,這個應該很好理解了,如果沒有通道準備好,此方法會等待一會

  4. wakeup()

    這個方法是用來喚醒等待在 select() 和 select(timeout) 上的線程的。如果 wakeup() 先被調用,此時沒有線程在 select 上阻塞,那麼之後的一個 select() 或 select(timeout) 會立即返回,而不會阻塞,當然,它只會作用一次。

小結

到此爲止,介紹了 Buffer、Channel 和 Selector 的常見接口。

Buffer 和數組差不多,它有 position、limit、capacity 幾個重要屬性。put() 一下數據、flip() 切換到讀模式、然後用 get() 獲取數據、clear() 一下清空數據、重新回到 put() 寫入數據。

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 用於實現非阻塞 IO,這裏僅僅介紹接口使用,後續×××O 的介紹。

(全文完)

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