Netty原理详解系列(一)---NIO中的Buffer&Chanel

时间  2020-10-06 标签 java 程序员 web 数组 缓存 安全 网络 dom socket tcp

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1.概述

在BIO API中是经过InputStream 与outPutStream 两个流进行输入输出。而NIO 使用一个双向通讯的管道代替了它俩。管道(Channel)必须依赖缓冲区（Buffer）实现通讯。java

管道对比流多了一些如：非阻塞、堆外内存映射、零拷贝等特性。程序员

2.缓冲区Buffer定义

管道要依赖于缓冲区，因此先来介绍一下缓冲区的概念和使用。web

缓冲区内部维护了一个数组来存储数据，缓存区并不支持存储的任意的数据类型，只能存储一些基本数据类型。数组

具有读写、清空的功能。不具有线程安全，须要自行的控制线程安全问题。缓存

3.Buffer内部结构

拿ByteBuffer举例，它是Buffer的一个子类，用于存储Byte类型的数据，其余的缓冲区差很少，只是存储的数据类型不一样。安全

内部维护了一个byte数组，用来存储数据的。网络

父类Buffer有4个重要的属性：dom

  • capacitysocket

    表示数组的容量大小tcp

  • limit

    限制Buffer的可读和可写的范围，默认等于capacity

  • position

    当前读写的位置，默认是0，每读取一位或写一位，则+1.

  • mark

    作标记，用于reset将position设置到这个位置。默认是-1

4者的位置关系：mark <= position <= limit <= capacity

4.Buffer经常使用的操做

4.1 allocate

分配缓冲区的存储空间，初始化全部的属性。例如：

在这里插入图片描述
获得的结果以下：
在这里插入图片描述

4.2 wrap

基于数组包装一个Buffer，position为0，limit为容量值

测试代码以下：

在这里插入图片描述
buffer结果以下：

在这里插入图片描述

4.3 put

写入缓冲区，测试代码以下：

在这里插入图片描述

在put的过程当中，会改变position，也就是说每写入一个数字，就会将position+1.当第7次写入的时候，position会超过limit的限制，此时会抛出异常BufferOverflowExeception
在这里插入图片描述

4.4 flip

为读取作好准备，在put完以后，执行flip能够重置position，设置成0.

以后的读取操做就从position的位置开始。

测试代码以下：

在这里插入图片描述
执行完put 5 以后 buffer的结果以下：

在这里插入图片描述
接着执行flip，结果以下：
在这里插入图片描述
根据结果就能够看出flip的做用，将position设置成0

而且将limit设置成了原先position的位置，此时的limit就限制了读的范围。

4.5 get

读取缓冲区的内容，每读取一个，position位置后移动一位

测试代码以下：

在这里插入图片描述

当读取到第5个的时候，此时的buffer里面的内容以下：
在这里插入图片描述
能够发现此时的position已经到了limit的限制边界。若是再次读取就会报错，读取越界异常BufferUnderflowException
在这里插入图片描述

4.6 mark

设置标记位，记录下当前的位置

测试代码以下：

在这里插入图片描述

执行完mark后，将mark属性设置成position，也就是作了个标记
在这里插入图片描述

4.7 reset

reset的做用就是将position的值设置成mark，用于修改缓冲区中的一段数据。或者重复的读取缓冲区中的一段数据。

测试代码以下：
在这里插入图片描述

执行完reset以后，buffer结果以下

在这里插入图片描述

在记录mark标记后为，读取了两个数字，并将者两个数字修改了。reset以后，position又回到了mark记录的位置。此时再进行写操做，就能够修改缓冲区中的那两个数字。结果以下

在这里插入图片描述

4.8 clear

重置缓冲区的属性，可是并不会清空缓冲区里的数据

将position的位置设为0，mark设置为-1.limit设置为capacity

测试代码以下：

在这里插入图片描述

执行完clear以后，缓冲区的结果以下：

在这里插入图片描述

4.9 rewind

为从新读取作准备。将position设置为0，limit不变。mark设置为-1

测试代码以下：
在这里插入图片描述
执行完rewind以后，buffer结果以下：
在这里插入图片描述

4.10 remaining

返回还有多少可读取的范围

也就是limit-position

测试代码以下：
在这里插入图片描述
此时limit等于5 读取了两次以后，执行remaining方法，返回的结果是3，表示剩余可读取的内容

5. chanel

管道用于链接文件、网络Socket等。它可同时执行读取和写入两个I/O 操做，固称双向管道，它有链接和关闭两个状态，在建立管道时处于打开状态，一但关闭 在调用I/O操做就会报ClosedChannelException 。经过管道的isOpen 方法可判断其是否处于打开状态。

5.1 FileChannel 文件管道

固名思议它就是用于操做文件的，除常规操做外它还支持如下特性：

  • 支持对文件的指定区域进行读写

  • 堆外内存映射，进行大文件读写时，可直接映射到JVM声明内存以外，从面提高读写效率。

  • 零拷贝技术，经过 transferFrom 或transferTo 直接将数据传输到某个通道，极大提升性能。

  • 锁定文件指定区域，以阻止其它程序员进行访问

打开FileChannel目前只能经过流进行间打开，如inputStream.getChannel() 和outputStream.getChannel() ,经过输入流打开的管道只能进行取，而outputStream打开的只能写。不然会分别抛出NonWritableChannelException与NonReadableChannelException异常。

若是想要管道同时支持读写，必须用RandomAccessFile 读写模式才能够。

下面的测试代码是文件管道的基本使用

//1. 打开文件管道
        FileChannel channel = new RandomAccessFile(file_name,"rw").getChannel();

        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024); // 声明1024个空间
        // 从文件中 读取数据并写入管道 再写入缓冲
        channel.read(buffer);
        buffer.flip();//上面学的，写完以后，须要将position归0，为了后面的读取作准备
        byte[] bytes= new byte[buffer.remaining()];
        int i =0;
        while (buffer.hasRemaining()){ 
 
  
            bytes[i++]= buffer.get();
        }
        System.out.println(new String(bytes));

        // 把缓冲区数据写入到管道
        channel.write(ByteBuffer.wrap("森林大帅哥".getBytes()));
        channel.close();

5.2 DatagramChannel UDP套接字管道

UDP是无链接的协议，DatagramChannel就是为这个协议提供服务，以接收客户端发来的消息。

DatagramChannel的基本用法以下：

public void test1() throws IOException { 
 
  
    DatagramChannel channel=DatagramChannel.open();
    // 绑定端口
    channel.bind(new InetSocketAddress(8080));
    ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(8192);

    while (true){ 
 
  
        buffer.clear(); // 清空还原
        channel.receive(buffer); // 阻塞
        buffer.flip();
        byte[] bytes=new byte[buffer.remaining()];
        buffer.get(bytes);
        System.out.println(new String(bytes));
    }
}

使用命令nc - uv 127.0.0.1 8080 能够向指定的ip端口号 发送udp

在这里插入图片描述
idea控制台就会输出以下：

在这里插入图片描述

5.3 TCP套接字管道

TCP是一个有链接协议，须创建链接后才能通讯。这就须要下面两个管道：

  • **ServerSocketChannel ：**用于与客户端创建链接

  • **SocketChannel ：**用于和客户端进行消息读写

测试代码以下：

@Test
public void test1() throws IOException { 
 
  
  	// 用于与客户端创建链接
    ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open();
    channel.bind(new InetSocketAddress(8080));
    while (true) { 
 
  //循环接收请求，分配子线程去执行请求
      	// 用于和客户端进行消息读写
        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
        handle(socketChannel);
    }
}


public void handle(final SocketChannel socketChannel) throws IOException { 
 
  
    // 2.通讯
    Thread thread = new Thread(new Runnable() { 
 
  
        @Override
        public void run() { 
 
  
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8192);
            while (true) { 
 
  
                try { 
 
  
                    buffer.clear();
                    socketChannel.read(buffer);
                    // 从buffer 当中读出来
                    buffer.flip();
                    byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
                    buffer.get(bytes);
                    String message = new String(bytes);
                    System.out.println(message);
                    // 写回去
                    buffer.rewind();
                    socketChannel.write(buffer);
                    if (message.trim().equals("exit")) { 
 
  
                        break;
                    }
                } catch (Exception e) { 
 
  
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            try { 
 
  
                socketChannel.close();
            } catch (IOException e) { 
 
  
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
    thread.start();
}

可经过命令进行测试TCP服务 telnet 127.0.0.1 8080

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

控制台输出了tcp的消息，并将消息写回了管道，命令行界面也输出了返回来的hello结果。

6.后续

下一篇博客，介绍NIO中的另外一个重要组件Selector

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