NIO基础操作 / 开普饭

原文链接http://zhhll.icu/2020/05/18/java%E5%9F%BA%E7%A1%80/IO/NIO%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E6%93%8D%E4%BD%9C/

NIO

同步非阻塞

阻塞与非阻塞的区别：

阻塞时，在调用结果返回时，当前线程会被挂起，并在得到结果之后返回
非阻塞时，如不能立即得到结果，该调用不会阻塞当前线程，调用者需要定时轮询查看处理状态

Channel(通道)和Buffer(缓冲区)

与普通IO的不同和关系

NIO以块的方式处理数据，但是IO是以最基础的字节流的形式去写入和读出的
NIO不再是和IO一样用OutputStream和InputStream输入流的形式来进行处理数据的，但是又是基于这种流的方式，采用了通道和缓冲区的形式进行处理
NIO的通道是可以双向的，IO的流只能是单向的
NIO的缓冲区(字节数组)还可以进行分片，可以建立只读缓冲区、直接缓冲区和间接缓冲区，只读缓冲区就是只可以读，直接缓冲区是为了加快I/O速度，以一种特殊的方式分配其内存的缓冲区
NIO采用的是多路复用的IO模型，BIO用的是阻塞的IO模型

通道的概念

通道是对原I/O包中的流的模拟。到任何目的地的所有数据都必须通过一个Channel对象(通道)。一个Buffer实质上就是一个容器对象。发送给一个通道的所有对象都必须首先放到缓冲区中；从通道中读取的任何数据都要读到缓冲区中

缓冲区的概念

Buffer是一个对象，它包含一些要写入或者刚读出的数据。在NIO中加入Buffer对象，在流式IO中，将数据直接写入或者读到Stream对象中
在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的。在写入数据时，它是写入到缓冲区的。任何时候访问NIO中的数据，都需要将它放到缓冲区中
缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数组，但是也可以使用其他种类的数组。但是一个缓冲区不仅仅是一个数组，缓冲区提供了对数据的结构化访问，而且还可以跟踪系统的读/写进程

ByteBuffer
CharBuffer
ShortBuffer
IntBuffer
LongBuffer
FloatBuffer
DoubleBuffer

选择器

Selector是多路复用器，用于同时检测多个通道的事件以实现异步I/O。

通过一个选择器来同时对多个套接字通道进行监听，当套接字通道有可用的事件的时候，通道改为可用状态，选择器就可以实现可用的状态。

工作原理

客户端-----》Channel-----》Selector------》keys--状态改变---》server

Buffer 缓冲区
Channel 通道
Selector 选择器

Server端创建ServerSocketChannel 有一个Selector多路复用器轮询所有注册的通道，根据通道状态，执行相关操作

Connect 连接状态
Accept 阻塞状态
Read 可读状态
Write 可写状态

Client端创建SocketChannel 注册到Server端的Selector

buffer

capacity 缓冲区数组的总长度
position 下一个要操作的数据元素的位置
limit 缓冲区数组中不可操作的下一个元素的位置，limit<=capacity
mark 用于记录当前position的前一个位置或者默认是0
clear/flip/rewind等都是操作limit和position的值来实现重复读写的

ByteBuffer

有且仅有ByteBuffer(字节缓冲区)可以直接与通道交互。

public static void main(String[] args) {
        //生成FileChannel文件通道  FileChannel的操作--> 操作ByteBuffer用于读写，并独占式访问和锁定文件区域

        // 写入文件
        try(FileChannel fileChannel = new FileOutputStream(FILE).getChannel()){
            fileChannel.write(ByteBuffer.wrap("test".getBytes()));
        } catch (IOException e){
            throw new RuntimeException("写入文件失败",e);
        }
        // 在文件结尾写入
        try(FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(FILE,"rw").getChannel()){
            fileChannel.position(fileChannel.size());//移至文件结尾
            fileChannel.write(ByteBuffer.wrap("some".getBytes()));
        } catch (IOException e){
            throw new RuntimeException("写入文件结尾失败",e);
        }

        try(FileChannel fileChannel = new FileInputStream(FILE).getChannel();
            FileChannel out = new FileOutputStream("C:\\Users\\sinosoft\\Desktop\\copy.txt").getChannel()
        ){
            // 读取操作，需要调用allocate显示分配ByteBuffer
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            // read之后将数据放入缓冲区
            while (fileChannel.read(byteBuffer) != -1){
                byteBuffer.flip(); // 准备写入
                out.write(byteBuffer);
                byteBuffer.clear(); // 清空缓存区
            }
        } catch (IOException e){
            throw new RuntimeException("读取文件失败",e);
        }
    }

方法说明

rewind()方法是将position设置为缓冲区的开始位置

get()和put()都会修改position

get(int)和put(int)都不会修改position

mark()设置mark为当前position

flip()将写模式切换为读模式

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

内存映射文件

内存映射文件可以创建和修改那些因为太大而无法放入内存的文件。

RandomAccessFile tdat = new RandomAccessFile("test.dat", "rw");
MappedByteBuffer out = tdat.getChannel().map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, length);

或者
FileChannel fc = new FileInputStream(new File("temp.tmp")).getChannel();
IntBuffer ib = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY,0, fc.size()).asIntBuffer();

映射文件访问比标准IO性能高很多

文件锁定

文件锁定可同步访问，文件锁对其他操作系统进程可见，因为java文件锁直接映射到本机操作系统锁定工具。

public class FileLockTest {
    private static final String FILE = "C:\\Users\\sinosoft\\Desktop\\剩余工作副本.txt";
    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        FileChannel fileChannel = new FileOutputStream(FILE).getChannel();

        // 文件锁
        FileLock fileLock = fileChannel.tryLock();
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                FileChannel fileChannel = null;
                try {
                    fileChannel = new FileOutputStream(FILE).getChannel();
                } catch (FileNotFoundException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                byteBuffer.put("aqws".getBytes());
                try {
                    System.out.println("线程准备写");
                    fileChannel.write(byteBuffer);
                    System.out.println("线程写完");
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        thread.start();
        if(fileLock != null){
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            byteBuffer.put("aqwqdqdhwfwihfejfhi".getBytes());
            System.out.println("主线程睡眠");
            Thread.sleep(10000);
            // 会报错 java.nio.channels.NonWritableChannelException
//            fileChannel.read(byteBuffer);
            System.out.println("主线程准备写");
            fileChannel.write(byteBuffer);
            fileLock.release();
        }
    }
}

主线程睡眠
线程准备写
java.io.IOException: 另一个程序已锁定文件的一部分，进程无法访问。
at sun.nio.ch.FileDispatcherImpl.write0(Native Method)
at sun.nio.ch.FileDispatcherImpl.write(FileDispatcherImpl.java:75)
at sun.nio.ch.IOUtil.writeFromNativeBuffer(IOUtil.java:93)
at sun.nio.ch.IOUtil.write(IOUtil.java:65)
at sun.nio.ch.FileChannelImpl.write(FileChannelImpl.java:211)
at com.zhanghe.study.io.nio.FileLockTest$1.run(FileLockTest.java:35)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
主线程准备写

通过调用FileChannel上的tryLock或lock，可以获得整个文件的FileLock(SocketChannel、DatagramChannel和ServerSocketChannel不需要锁定，因为本质上就是单线程实体)

tryLock()是非阻塞的，试图获取锁，若不能获取，只是从方法调用返回

lock()会阻塞，直到获得锁，或者调用lock()的线程中断，或者调用lock()方法的通道关闭。

使用FileLock.release()释放锁

// 锁定文件的一部分，锁住size-position区域。第三个参数指定是否共享此锁
tryLock(long position, long size, boolean shared)

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