[[320131]]

1. 概覽

處理輸入和輸出是Java程序員的常見任務(wù)，本教程中，我們將介紹 原始的 java.io (IO) 庫(kù)和較新的 java.nio (NIO) 庫(kù) 以及它們?cè)谕ㄟ^網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時(shí)的區(qū)別。.

2. 關(guān)鍵特性

讓我們先來(lái)看看這兩個(gè)包的關(guān)鍵特性。

2.1. IO – java.io

java.io 包是在Java 1.0引入的，而Reader 則是在 Java 1.1中引入。它提供:

• InputStream 和 OutputStream – 一次提供一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。
• Reader 和 Writer – 包裝流
• 阻塞模式(blocking mode) – 等待完整的消息

2.2. NIO – java.nio

java.nio 包在Java 1.4中被引入 并在 Java 1.7 (NIO.2) 更新了，其中包含 增強(qiáng)的文件操作 和 ASynchronousSocketChannel。它提供 :

• Buffer – 一個(gè)讀取數(shù)據(jù)塊
• CharsetDecoder – 用于將原始字節(jié)映射到可讀字符/從可讀字符映射原始字節(jié)
• Channel – 與外界溝通
• Selector – 在 SelectableChannel 上啟用多路復(fù)用，并提供對(duì)任何準(zhǔn)備好進(jìn)行I/O的 Channels 的訪問
• 非阻塞模式(non-blocking mode) – 讀取任何準(zhǔn)備好的東西

現(xiàn)在，讓我們看看在向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)或讀取其響應(yīng)時(shí)如何使用這些包。

3. 配置測(cè)試服務(wù)器

在這里，我們將使用 WireMock 來(lái)模擬另一臺(tái)服務(wù)器，以便我們可以獨(dú)立運(yùn)行測(cè)試。

配置這臺(tái)服務(wù)器來(lái)監(jiān)聽請(qǐng)求，并像真正的web服務(wù)器一樣向我們發(fā)送響應(yīng)。同時(shí)我們還將使用動(dòng)態(tài)端口，這樣就不會(huì)與本地計(jì)算機(jī)上的任何服務(wù)沖突。

讓我們添加WireMock Maven依賴項(xiàng)到 test scope：

Let's add the Maven dependency for WireMock with test scope:

<dependency> 
    <groupId>com.github.tomakehurst</groupId> 
    <artifactId>wiremock-jre8</artifactId> 
    <version>2.26.3</version> 
    <scope>test</scope> 
</dependency> 

在測(cè)試類中，讓我們定義一個(gè) JUnit*@Rule* 來(lái)在空閑端口上啟動(dòng) WireMock 。然后，我們將對(duì)其進(jìn)行配置，使其在要求預(yù)定義資源時(shí)返回一個(gè) HTTP 200 響應(yīng)，消息體為 JSON 格式的文本：

@Rule public WireMockRule wireMockRule = new WireMockRule(wireMockConfig().dynamicPort()); 
  
private String REQUESTED_RESOURCE = "/test.json"; 
  
@Before 
public void setup() { 
    stubFor(get(urlEqualTo(REQUESTED_RESOURCE)) 
      .willReturn(aResponse() 
      .withStatus(200) 
      .withBody("{ \"response\" : \"It worked!\" }"))); 
} 

現(xiàn)在已經(jīng)建立了模擬服務(wù)器，我們準(zhǔn)備運(yùn)行一些測(cè)試。

4. Blocking IO – java.io

我們可通過從網(wǎng)站上讀取一些數(shù)據(jù)來(lái)了解原始的阻塞IO模型是如何工作的，例如：使用一個(gè) java.net.Socket 來(lái)訪問操作系統(tǒng)的一個(gè)端口。

4.1. 發(fā)送請(qǐng)求(Request)

在這個(gè)例子中，我們將創(chuàng)建一個(gè)GET請(qǐng)求來(lái)檢索資源。首先，創(chuàng)建一個(gè) Socket 來(lái)訪問我們的WireMock服務(wù)器正在監(jiān)聽的端口：

Socket socket = new Socket("localhost", wireMockRule.port() 

對(duì)于普通的 HTTP 或 HTTPS 通信，端口應(yīng)該是 80 或 443 。但是，在本例中，我們使用wireMockRule.port() 來(lái)訪問前面設(shè)置的動(dòng)態(tài)端口?，F(xiàn)在，我們?cè)谔捉幼稚洗蜷_一個(gè) OutputStream ，包裝在 OutputStreamWriter 中，并將其傳遞給 PrintWiter 來(lái)編寫我們的消息。確保刷新緩沖區(qū)以便發(fā)送我們的請(qǐng)求：

OutputStream clientOutput = socket.getOutputStream(); 
PrintWriter writer = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(clientOutput)); 
writer.print("GET " + TEST_JSON + " HTTP/1.0\r\n\r\n"); 
writer.flush(); 

4.2. 等待響應(yīng)(Response)

打開套接字上的 InputStream 來(lái)獲取響應(yīng)，使用 BufferedReader 讀取流，并將其存儲(chǔ)在 StringBuilder 中：

InputStream serverInput = socket.getInputStream(); 
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(serverInput)); 
StringBuilder ourStore = new StringBuilder(); 

我們使用 reader.readLine() 來(lái)阻塞，等待一個(gè)完整的行，然后將該行追加到我們的存儲(chǔ)中。我們將一直讀取，直到得到一個(gè)空值，它指示流的結(jié)尾：

for (String line; (line = reader.readLine()) != null;) { 
   ourStore.append(line); 
   ourStore.append(System.lineSeparator()); 
} 

5. Non-Blocking IO – java.nio

現(xiàn)在，讓我們看看 NIO包 的非阻塞IO模型是如何與同一個(gè)例子一起工作的。

這次，我們將創(chuàng)建一個(gè) java.nio.channel.SocketChannel 來(lái)訪問服務(wù)器上的端口，而不是java.net.Socket，并向它傳遞一個(gè)InetSocketAddress。

5.1. 發(fā)送 Request

首先, 打開 SocketChannel:

InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("localhost", wireMockRule.port()); 
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(address); 

現(xiàn)在，讓我們使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的UTF-8字符集 來(lái)編碼和編寫我們的消息：

Charset charset = StandardCharsets.UTF_8; 
socket.write(charset.encode(CharBuffer.wrap("GET " + REQUESTED_RESOURCE + " HTTP/1.0\r\n\r\n"))); 

5.2. 讀取 Response

發(fā)送請(qǐng)求后，我們可以使用原始緩沖區(qū)以非阻塞模式讀取響應(yīng)。

既然要處理文本，那么我們需要一個(gè) ByteBuffer 來(lái)處理原始字節(jié)，一個(gè)CharBuffer 用來(lái)轉(zhuǎn)換字符(借助 CharsetDecoder):

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(8192); 
CharsetDecoder charsetDecoder = charset.newDecoder(); 
CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(8192); 

如果數(shù)據(jù)是以多字節(jié)字符集發(fā)送的，CharBuffer 將有剩余空間。

注意，如果需要特別快的性能，我們可以使用 ByteBuffer.allocateDirect() 在本機(jī)內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)MappedByteBuffer。然而，在我們的例子中，從標(biāo)準(zhǔn)堆中使用 allocate() 已經(jīng)足夠快了。

在處理緩沖區(qū)時(shí)，我們需要知道緩沖區(qū)有多大(capacity)，我們?cè)诰彌_區(qū)中的位置(current position)，以及我們能走多遠(yuǎn)(limit)。

所以，我們從SocketChannel中讀取，將它傳遞給 ByteBuffer 來(lái)存儲(chǔ)我們的數(shù)據(jù)。從 SocketChannel讀取將以 ByteBuffer的當(dāng)前位置為下一個(gè)要寫入的字節(jié)(就在寫入最后一個(gè)字節(jié)之后)結(jié)束，但其限制(limit)不變：

socketChannel.read(byteBuffer) 

Our SocketChannel.read() 返回可以寫入緩沖區(qū)的讀取字節(jié)數(shù) ，如果斷開連接，則會(huì)變成 -1.

當(dāng)緩沖區(qū)由于尚未處理其所有數(shù)據(jù)而沒有剩余空間時(shí)，SocketChannel.read() 將返回讀取的零字節(jié)，但buffer.position() 仍將大于零。

確保從緩沖區(qū)的正確位置開始讀取, 我們將使用 Buffer.flip() 來(lái)設(shè)置 ByteBuffer 的當(dāng)前位置為0 以及它對(duì) SocketChannel 寫入的最后一個(gè)字節(jié)的限制。然后，我們將使用 storeBufferContents 方法保存緩沖區(qū)內(nèi)容，稍后我們將查看該方法。最后，使用 buffer.compact() 壓縮緩沖區(qū)并設(shè)置當(dāng)前位置，以便下次從 SocketChannel 讀取。

由于數(shù)據(jù)可能部分到達(dá)，需要用終止條件將緩沖區(qū)讀取代碼包裝成一個(gè)循環(huán)，以檢查套接字是否仍然連接，或者是否已斷開連接，但緩沖區(qū)中仍有數(shù)據(jù)：

while (socketChannel.read(byteBuffer) != -1 || byteBuffer.position() > 0) { 
    byteBuffer.flip(); 
    storeBufferContents(byteBuffer, charBuffer, charsetDecoder, ourStore); 
    byteBuffer.compact(); 
} 

別忘了關(guān)閉套接字(除非我們?cè)趖ry with resources塊中打開它)：

socketChannel.close(); 

5.3. Buffer存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

來(lái)自服務(wù)器的響應(yīng)將包含頭，這可能會(huì)使數(shù)據(jù)量超過緩沖區(qū)的大小。因此，我們將使用StringBuilder在消息到達(dá)時(shí)構(gòu)建完整的消息。為了存儲(chǔ)我們的消息，我們首先將原始字節(jié)解碼為我們的 CharBuffer 中的字符。然后翻轉(zhuǎn)指針，以便讀取字符數(shù)據(jù)，并將其附加到可擴(kuò)展的 StringBuilder. 最后，清除CharBuffer以準(zhǔn)備下一個(gè)寫/讀循環(huán)。現(xiàn)在，讓我們實(shí)現(xiàn)傳入緩沖區(qū)的完整 storeBufferContents() 方法，CharsetDecoder 和 StringBuilder：

void storeBufferContents(ByteBuffer byteBuffer, CharBuffer charBuffer,  
  CharsetDecoder charsetDecoder, StringBuilder ourStore) { 
    charsetDecoder.decode(byteBuffer, charBuffer, true); 
    charBuffer.flip(); 
    ourStore.append(charBuffer); 
    charBuffer.clear(); 
} 

6. 總結(jié)

本文中， 我們已經(jīng)看到原始java.io模型如何阻塞，等待請(qǐng)求，并使用 Streams 來(lái)操作它接收到的數(shù)據(jù)。相反，java.nio庫(kù)允許使用Buffers和Channels進(jìn)行非阻塞通信，并且可以提供直接內(nèi)存訪問以獲得更快的性能。然而，這種速度帶來(lái)了處理緩沖區(qū)的額外復(fù)雜性。

在本文中，我們看到了原始 java.io 模型如何阻塞，如何等待請(qǐng)求并使用Streams來(lái)處理它接收到的數(shù)據(jù)。相反，java.nio庫(kù)允許使用Buffers和Channels進(jìn)行非阻塞通信，并且可以提供直接內(nèi)存訪問以獲得更快的性能。然而，這種速度帶來(lái)了處理緩沖區(qū)的額外復(fù)雜性。

一如既往, 代碼 over on GitHub.