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1. 概覽

處理輸入和輸出是Java程序員的常見任務，本教程中，我們將介紹 原始的 java.io (IO) 庫和較新的 java.nio (NIO) 庫 以及它們在通過網絡進行通信時的區(qū)別。.

2. 關鍵特性

讓我們先來看看這兩個包的關鍵特性。

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 增強的文件操作 和 ASynchronousSocketChannel。它提供 :

• Buffer – 一個讀取數(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 上啟用多路復用，并提供對任何準備好進行I/O的 Channels 的訪問
• 非阻塞模式(non-blocking mode) – 讀取任何準備好的東西

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

3. 配置測試服務器

在這里，我們將使用 WireMock 來模擬另一臺服務器，以便我們可以獨立運行測試。

配置這臺服務器來監(jiān)聽請求，并像真正的web服務器一樣向我們發(fā)送響應。同時我們還將使用動態(tài)端口，這樣就不會與本地計算機上的任何服務沖突。

讓我們添加WireMock Maven依賴項到 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> 

在測試類中，讓我們定義一個 JUnit*@Rule* 來在空閑端口上啟動 WireMock 。然后，我們將對其進行配置，使其在要求預定義資源時返回一個 HTTP 200 響應，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)在已經建立了模擬服務器，我們準備運行一些測試。

4. Blocking IO – java.io

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

4.1. 發(fā)送請求(Request)

在這個例子中，我們將創(chuàng)建一個GET請求來檢索資源。首先，創(chuàng)建一個 Socket 來訪問我們的WireMock服務器正在監(jiān)聽的端口：

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

對于普通的 HTTP 或 HTTPS 通信，端口應該是 80 或 443 。但是，在本例中，我們使用wireMockRule.port() 來訪問前面設置的動態(tài)端口?，F(xiàn)在，我們在套接字上打開一個 OutputStream ，包裝在 OutputStreamWriter 中，并將其傳遞給 PrintWiter 來編寫我們的消息。確保刷新緩沖區(qū)以便發(fā)送我們的請求：

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(Response)

打開套接字上的 InputStream 來獲取響應，使用 BufferedReader 讀取流，并將其存儲在 StringBuilder 中：

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

我們使用 reader.readLine() 來阻塞，等待一個完整的行，然后將該行追加到我們的存儲中。我們將一直讀取，直到得到一個空值，它指示流的結尾：

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例子一起工作的。

這次，我們將創(chuàng)建一個 java.nio.channel.SocketChannel 來訪問服務器上的端口，而不是java.net.Socket，并向它傳遞一個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，讓我們使用一個標準的UTF-8字符集 來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)送請求后，我們可以使用原始緩沖區(qū)以非阻塞模式讀取響應。

既然要處理文本，那么我們需要一個 ByteBuffer 來處理原始字節(jié)，一個CharBuffer 用來轉換字符(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() 在本機內存中創(chuàng)建一個MappedByteBuffer。然而，在我們的例子中，從標準堆中使用 allocate() 已經足夠快了。

在處理緩沖區(qū)時，我們需要知道緩沖區(qū)有多大(capacity)，我們在緩沖區(qū)中的位置(current position)，以及我們能走多遠(limit)。

所以，我們從SocketChannel中讀取，將它傳遞給 ByteBuffer 來存儲我們的數(shù)據(jù)。從 SocketChannel讀取將以 ByteBuffer的當前位置為下一個要寫入的字節(jié)(就在寫入最后一個字節(jié)之后)結束，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，則會變成 -1.

當緩沖區(qū)由于尚未處理其所有數(shù)據(jù)而沒有剩余空間時，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() 來設置 ByteBuffer 的當前位置為0 以及它對 SocketChannel 寫入的最后一個字節(jié)的限制。然后，我們將使用 storeBufferContents 方法保存緩沖區(qū)內容，稍后我們將查看該方法。最后，使用 buffer.compact() 壓縮緩沖區(qū)并設置當前位置，以便下次從 SocketChannel 讀取。

由于數(shù)據(jù)可能部分到達，需要用終止條件將緩沖區(qū)讀取代碼包裝成一個循環(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(); 
} 

別忘了關閉套接字(除非我們在try with resources塊中打開它)：

socketChannel.close(); 

5.3. Buffer存儲數(shù)據(jù)

來自服務器的響應將包含頭，這可能會使數(shù)據(jù)量超過緩沖區(qū)的大小。因此，我們將使用StringBuilder在消息到達時構建完整的消息。為了存儲我們的消息，我們首先將原始字節(jié)解碼為我們的 CharBuffer 中的字符。然后翻轉指針，以便讀取字符數(shù)據(jù)，并將其附加到可擴展的 StringBuilder. 最后，清除CharBuffer以準備下一個寫/讀循環(huán)。現(xiàn)在，讓我們實現(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

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

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

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