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)
底层原理可见:操作系统-文件IO
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
各种类型的缓冲区中,都有一个对应类型的数组,如
【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

// 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。
以上四个属性必须满足以下要求
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
rewind()方法
  • 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
  • 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
使用展示
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 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???)
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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
获得通道的方法
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
例子:
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
通过非直接缓冲区读写数据,需要通过通道来传输缓冲区里的数据
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
使用直接缓冲区时,无需通过通道来传输数据,直接将数据放在缓冲区内即可
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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