從Java IO到Java NIO：如何理解阻塞和非阻塞I/O的區(qū)別？
Java NIO實(shí)現(xiàn)非阻塞I/O
在Java中，阻塞I/O（Blocking I/O）和非阻塞I/O（Non-blocking I/O）是兩種不同的I/O模式。
阻塞I/O模式下，當(dāng)應(yīng)用程序進(jìn)行輸入/輸出操作時(shí)，線程會(huì)一直阻塞，直到數(shù)據(jù)傳輸完成或者發(fā)生異常。在此期間，線程無法執(zhí)行其他任務(wù)，因此阻塞I/O模式具有較低的效率和響應(yīng)性能。
非阻塞I/O模式下，當(dāng)應(yīng)用程序進(jìn)行輸入/輸出操作時(shí)，線程會(huì)立即返回，并且不會(huì)等待數(shù)據(jù)傳輸完成。在此期間，線程可以執(zhí)行其他任務(wù)，因此非阻塞I/O模式具有較高的效率和響應(yīng)性能。
Java NIO中的非阻塞I/O是基于選擇器（Selector）和通道（Channel）的。選擇器可以監(jiān)聽多個(gè)通道上的I/O事件，并在有事件發(fā)生時(shí)通知應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)非阻塞I/O操作。通道則是用于輸入/輸出操作的對(duì)象，可以是文件通道或網(wǎng)絡(luò)通道。
Java NIO是非阻塞的，因?yàn)樗谶x擇器和通道實(shí)現(xiàn)了非阻塞I/O，支持同時(shí)處理多個(gè)通道的I/O事件，從而提高了I/O操作的效率和響應(yīng)性能。相比之下，傳統(tǒng)的Java IO（也稱為IO流）是阻塞的，因?yàn)樗荒芡瑫r(shí)處理一個(gè)輸入/輸出流，當(dāng)進(jìn)行輸入/輸出操作時(shí)，線程會(huì)一直阻塞，直到數(shù)據(jù)傳輸完成或者發(fā)生異常。
1、創(chuàng)建通道
通道是Java NIO中用于輸入/輸出操作的對(duì)象，可以通過SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel等創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)通道，或者通過FileChannel創(chuàng)建文件通道。在這里，我們以SocketChannel為例創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)通道。
SocketChannel channel = SocketChannel.open();2、將通道設(shè)置為非阻塞模式
通過調(diào)用通道的configureBlocking(false)方法，將通道設(shè)置為非阻塞模式。在非阻塞模式下，通道的讀取和寫入操作不會(huì)阻塞線程，而是立即返回。
channel.configureBlocking(false);3、創(chuàng)建選擇器
選擇器是Java NIO中用于監(jiān)聽多個(gè)通道的I/O事件的對(duì)象，用于實(shí)現(xiàn)非阻塞I/O。可以通過Selector.open()方法創(chuàng)建選擇器。
Selector selector = Selector.open();4、將通道注冊(cè)到選擇器上
通過調(diào)用通道的register()方法，將通道注冊(cè)到選擇器上，并指定要監(jiān)聽的事件類型，例如讀取事件、寫入事件、連接事件、接受事件等。在這里，我們注冊(cè)了讀取事件。
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);5、輪詢選擇器
通過調(diào)用選擇器的select()方法，輪詢選擇器上注冊(cè)的通道，當(dāng)有通道上的I/O事件就緒時(shí)，select()方法會(huì)返回就緒的通道數(shù)量。
while (true) {
selector.select();
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
// 處理就緒的通道
keyIterator.remove();
}
}6、處理就緒的通道
通過調(diào)用選擇器的selectedKeys()方法，獲取所有就緒的通道，并進(jìn)行相應(yīng)的讀取或?qū)懭氩僮鳌Ｔ谶@里，我們實(shí)現(xiàn)了從通道讀取數(shù)據(jù)的操作。
while (true) {
selector.select();
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if (key.isReadable()) {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int bytesRead = channel.read(buffer);
while (bytesRead > 0) {
buffer.flip();
while (buffer.hasRemaining()) {
System.out.print((char) buffer.get());
}
buffer.clear();
bytesRead = channel.read(buffer);
}
if (bytesRead == -1) {
channel.close();
}
}
keyIterator.remove();
}
}需要注意的是，在非阻塞I/O模式下，讀取和寫入操作通常需要多次調(diào)用，直到完整的數(shù)據(jù)傳輸完成。在讀取操作中，需要將數(shù)據(jù)從通道讀取到緩沖區(qū)，并判斷緩沖區(qū)中是否已經(jīng)讀取完畢。
此外，在非阻塞I/O模式下，發(fā)生異常的可能性比較高，因此需要進(jìn)行異常處理?？梢酝ㄟ^選擇器的selectedKeys()方法和SelectionKey的readyOps()方法，判斷通道是否出現(xiàn)異常，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。
以下是完整的示例代碼。在這個(gè)例子中，我們使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的Echo服務(wù)器，將客戶端發(fā)送的消息原樣返回。
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.Set;
public class NonBlockingServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 創(chuàng)建服務(wù)器套接字通道
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
serverChannel.configureBlocking(false);
// 創(chuàng)建選擇器
Selector selector = Selector.open();
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("Server started on port 9999");
while (true) {
selector.select();
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if (key.isAcceptable()) {
// 處理連接事件
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel clientChannel = channel.accept();
clientChannel.configureBlocking(false);
clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println("Client connected: " + clientChannel.getRemoteAddress());
} else if (key.isReadable()) {
// 處理讀取事件
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int bytesRead = channel.read(buffer);
while (bytesRead > 0) {
buffer.flip();
while (buffer.hasRemaining()) {
channel.write(buffer);
}
buffer.clear();
bytesRead = channel.read(buffer);
}
if (bytesRead == -1) {
channel.close();
}
}
keyIterator.remove();
}
}
}
}問題：selector.select()是阻塞，為什么還說NIO是非阻塞的呢？
selector.select()方法確實(shí)會(huì)阻塞，直到有至少一個(gè)通道準(zhǔn)備好進(jìn)行I/O操作或者等待超時(shí)或中斷。但是，需要注意的是，這種阻塞只會(huì)影響當(dāng)前的線程，不會(huì)影響應(yīng)用程序的其他線程。
在服務(wù)端線程調(diào)用選擇器的select()方法時(shí)，只有當(dāng)前服務(wù)端線程會(huì)被阻塞，而不是客戶端線程。
客戶端的阻塞和非阻塞I/O操作取決于具體的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于阻塞I/O模式，客戶端線程在進(jìn)行輸入/輸出操作時(shí)，會(huì)一直阻塞，直到數(shù)據(jù)傳輸完成或者發(fā)生異常。對(duì)于非阻塞I/O模式，客戶端線程在進(jìn)行輸入/輸出操作時(shí)，會(huì)立即返回，并且不會(huì)等待數(shù)據(jù)傳輸完成。在此期間，客戶端線程可以執(zhí)行其他任務(wù)。
因此，Java NIO仍然可以稱為非阻塞I/O。
Java NIO提供了一種基于事件驅(qū)動(dòng)的I/O模型，應(yīng)用程序使用選擇器（Selector）來注冊(cè)通道（Channel）上的I/O事件，并在有事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的處理。在選擇器上調(diào)用select()方法會(huì)阻塞當(dāng)前線程，直到至少有一個(gè)通道上注冊(cè)的事件發(fā)生，此時(shí)select()方法會(huì)返回，應(yīng)用程序可以通過selectedKeys()方法獲取就緒的事件。由于選擇器可以同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)通道，因此Java NIO可以同時(shí)處理多個(gè)通道上的I/O事件，從而提高了I/O操作的效率和響應(yīng)性能。
需要注意的是，雖然選擇器的select()方法會(huì)阻塞當(dāng)前線程，但是可以通過調(diào)用選擇器的wakeup()方法中斷阻塞，使得select()方法立即返回。此外，可以在選擇器上設(shè)置超時(shí)時(shí)間，使得select()方法在指定時(shí)間內(nèi)返回，避免長(zhǎng)時(shí)間的無限阻塞。
實(shí)戰(zhàn)Java NIO中實(shí)現(xiàn)文件I/O（File I/O）和網(wǎng)絡(luò)I/O（Network I/O）
文件I/O（File I/O）
Java NIO中的文件I/O是通過FileChannel來實(shí)現(xiàn)的。FileChannel類提供了讀取和寫入文件的方法，而ByteBuffer類則用于存儲(chǔ)讀取和寫入的數(shù)據(jù)。
以下是實(shí)現(xiàn)文件I/O的詳細(xì)步驟：
步驟1：獲取FileChannel實(shí)例
在進(jìn)行文件I/O之前，需要先獲取FileChannel實(shí)例?？梢酝ㄟ^FileInputStream或FileOutputStream來獲取FileChannel實(shí)例，例如：
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("file.txt");
FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();步驟2：創(chuàng)建ByteBuffer
在進(jìn)行文件I/O之前，需要先創(chuàng)建ByteBuffer實(shí)例，用于存儲(chǔ)讀取和寫入的數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^ByteBuffer的allocate方法創(chuàng)建ByteBuffer實(shí)例，例如：
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);步驟3：讀取文件數(shù)據(jù)
（1）從FileChannel中讀取數(shù)據(jù)
可以通過FileChannel的read方法從文件中讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到ByteBuffer中。read方法有兩個(gè)重載版本：
int read(ByteBuffer dst) throws IOException;
long read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length) throws IOException;第一個(gè)版本的read方法將數(shù)據(jù)讀取到單個(gè)ByteBuffer中，返回值為讀取的字節(jié)數(shù)。如果返回值為-1，表示已經(jīng)讀取到了文件的末尾。
第二個(gè)版本的read方法將數(shù)據(jù)讀取到多個(gè)ByteBuffer中，返回值為讀取的字節(jié)數(shù)。如果返回值為-1，表示已經(jīng)讀取到了文件的末尾。
以下是使用第一個(gè)版本read方法的示例代碼：
int bytesRead = fileChannel.read(buffer);
while (bytesRead != -1) {
buffer.flip();
while (buffer.hasRemaining()) {
System.out.print((char) buffer.get());
}
buffer.clear();
bytesRead = fileChannel.read(buffer);
}上述代碼首先通過FileChannel的read方法將數(shù)據(jù)讀取到ByteBuffer中，并返回讀取的字節(jié)數(shù)。隨后，通過flip方法將ByteBuffer從寫模式切換為讀模式，并通過get方法讀取ByteBuffer中的數(shù)據(jù)。當(dāng)ByteBuffer中的數(shù)據(jù)被讀取完畢后，通過clear方法將ByteBuffer從讀模式切換為寫模式，并再次調(diào)用FileChannel的read方法讀取文件中的數(shù)據(jù)，直到文件中的所有數(shù)據(jù)被讀取完畢。
（2）向FileChannel中寫入數(shù)據(jù)
可以通過FileChannel的write方法向文件中寫入數(shù)據(jù)，例如：
byte[] data = "Hello, World!".getBytes();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(data);
int bytesWritten = fileChannel.write(buffer);上述代碼首先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到ByteBuffer中，隨后調(diào)用FileChannel的write方法將數(shù)據(jù)寫入到文件中。
步驟4：關(guān)閉FileChannel
在使用完FileChannel后，需要調(diào)用其close方法關(guān)閉FileChannel，例如：
fileChannel.close();完整的代碼示例：
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class FileIODemo {
public static void main(String[] args) throws IOException {
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("file.txt");
FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int bytesRead = fileChannel.read(buffer);
while (bytesRead != -1) {
buffer.flip();
while (buffer.hasRemaining()) {
System.out.print((char) buffer.get());
}
buffer.clear();
bytesRead = fileChannel.read(buffer);
}
fileChannel.close();
}
}網(wǎng)絡(luò)I/O（Network I/O）
Java NIO中的網(wǎng)絡(luò)I/O是通過SocketChannel和ServerSocketChannel來實(shí)現(xiàn)的，它們分別用于客戶端和服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)通信。
以下是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)I/O的詳細(xì)步驟：
步驟1：獲取SocketChannel或ServerSocketChannel實(shí)例
在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)I/O之前，需要先獲取SocketChannel或ServerSocketChannel實(shí)例。可以通過SocketChannel或ServerSocketChannel的open方法獲取相應(yīng)的實(shí)例，例如：
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("www.example.com", 80));或：
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));步驟2：創(chuàng)建ByteBuffer
在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)I/O之前，需要先創(chuàng)建ByteBuffer實(shí)例，用于存儲(chǔ)讀取和寫入的數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^ByteBuffer的allocate方法創(chuàng)建ByteBuffer實(shí)例，例如：
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);步驟3：讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)
（1）從SocketChannel中讀取數(shù)據(jù)
可以通過SocketChannel的read方法從網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到ByteBuffer中。read方法的用法與文件I/O中的read方法相同，這里不再贅述。
以下是使用SocketChannel的read方法的示例代碼：
int bytesRead = socketChannel.read(buffer);
while (bytesRead != -1) {
buffer.flip();
while (buffer.hasRemaining()) {
System.out.print((char) buffer.get());
}
buffer.clear();
bytesRead = socketChannel.read(buffer);
}上述代碼首先通過SocketChannel的read方法將數(shù)據(jù)讀取到ByteBuffer中，并返回讀取的字節(jié)數(shù)。隨后，通過flip方法將ByteBuffer從寫模式切換為讀模式，并通過get方法讀取ByteBuffer中的數(shù)據(jù)。當(dāng)ByteBuffer中的數(shù)據(jù)被讀取完畢后，通過clear方法將ByteBuffer從讀模式切換為寫模式，并再次調(diào)用SocketChannel的read方法讀取網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，直到網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)被讀取完畢。
（2）向SocketChannel中寫入數(shù)據(jù)
可以通過SocketChannel的write方法向網(wǎng)絡(luò)中寫入數(shù)據(jù)，例如：
byte[] data = "Hello, World!".getBytes();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(data);
int bytesWritten = socketChannel.write(buffer);上述代碼首先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到ByteBuffer中，隨后調(diào)用SocketChannel的write方法將數(shù)據(jù)寫入到網(wǎng)絡(luò)中。
步驟4：關(guān)閉SocketChannel或ServerSocketChannel
在使用完SocketChannel或ServerSocketChannel后，需要調(diào)用其close方法關(guān)閉SocketChannel或ServerSocketChannel，例如：
socketChannel.close();或：
serverSocketChannel.close();:完整的代碼示例：
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
public class NetworkIODemo {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("www.example.com", 80));
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int bytesRead = socketChannel.read(buffer);
while (bytesRead != -1) {
buffer.flip();
while (buffer.hasRemaining()) {
System.out.print((char) buffer.get());
}
buffer.clear();
bytesRead = socketChannel.read(buffer);
}
socketChannel.close();
}
}
