探秘JDK7之四：下一代I/O（NIO.2）

曾在Java 7 下一代Java开发技术详解专题里对“JDK 7 I/O新功能”有过简单地介绍，其实早在2000年的时候，Sun公司就启动了JSR 51：为Java平台开发新的I/O API，直接访问操作系统底层输入/输出操作以提高应用程序的性能，首次引入这套API是在J2SE 1.4中，根据维基百科的新I/O词条显示，新I/O(NIO)由下列API组成：

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◆ 原始类型数据缓冲

◆ 字符集编码和解码

◆ 通道，新的原始I/O抽象

◆ 支持上锁和内存映射的文件接口，文件最大支持Integer.MAX_VALUE字节(2GB)

◆ 为可扩展服务器提供的多路复用，无阻塞I/O设施(基于选择器和键)

JSR 203(NIO.2)除了解决JSR 51遗留下来的问题外，还为Java平台提供了更多新的I/O API，NIO.2解决了java.awt.File文件系统接口存在的重大问题，引入了异步I/O，并完成了未包括在JSR 51中的功能，下面列出了包含在JSR 203中的主要组件：

◆ 新的文件系统接口，支持大块访问文件属性，更改通知，绕开文件系统指定的API，也是可插拔文件系统实现的服务提供者接口。

◆ 对套接字和文件同时提供了异步I/O操作的API。

◆ JSR 51中定义的完整的套接字通道功能，此外还包括绑定，选项配置和多播数据报的支持。

新的文件系统接口

Java的File类存在重大问题，例如，操作出错时，delete()和mkdir()方法返回一个状态码而不是一个异常，没有办法获知失败的原因，此外还包括以下问题：

◆ File没有提供方法来检测符号链接，要知道为什么检测符号链接很重要，以及如何解决这个问题的办法，请参考Patrick的文章“在Java中如何处理文件系统软链接/符号链接”和“Java中的链接/别名/快捷方式”。

◆ File提供的方法只能访问部分文件属性，不能访问文件权限和访问控制列表。

◆ File没有提供方法一次访问文件的所有属性(如文件的修改时间和它的类型)，因为文件系统需要为每个属性执行查询请求，可能存在性能问题。

◆ File的list()和listFiles()方法返回文件名和目录名的数组，但不支持大目录，通过网络展示大目录清单时，调用list()/listFiles()方法可能会使当前的线程阻塞相当长一段时间，而在服务器端，虚拟机可能会耗尽内存。

◆ File没有提供复制和移动文件的方法，虽然File提供了一个renameTo()方法在某些时候可以用来移动文件，但它的行为与平台关系紧密，即在不同平台上的行为是不一致的，根据renameTo()的文档说明，这个方法不能在文件系统之间移动文件，它可能不是原子的，如果目标路径下已存在同名文件，这个操作可能不会成功。

◆ File也没有提供改变通知方法，需要应用程序自己实现，因此导致应用程序的性能下降，例如，服务器需要确定什么时候往目录中添加了一个新的JAR文件，它需要实时监视这个目录，因为服务器后台线程需要频繁读取文件系统，因此性能会有所下降。

◆ File也不允许开发人员引入他们自己的文件系统访问功能，例如，开发人员可能想将文件系统存储到一个zip文件中，或创建一个内存文件系统。

NIO.2引入了新的文件系统接口，除了解决上述存在的问题外，还引入了更多的功能，这个接口由位于java.nio.file，java.nio.file.attribute和java.nio.file.spi包中的类和其它类型组成。

这些包提供了多个切入点，其中一个切入点就是java.nio.file.Paths类，它提供了两个方法返回一个java.nio.file.Path实例：

◆ public static Path get(String path) – 它通过转换给定路径字符串返回给这个实例构造一个Path实例。

◆ public static Path get(URI uri) -它通过转换给定路径的URI(统一资源定位符)返回给这个实例构造一个Path实例。

与传统的基于File的代码互操作：

File类提供了一个public Path toPath()方法，它可以将一个File实例转换成一个Path实例。

当你创建了一个Path实例后，你就可以使用这个实例执行许多路径操作(如返回路径的一部分，连接两个路径)和许多文件操作(如删除，移动和复制文件)。

为了不将问题复杂化，我就不深入讲解Path了，这里我用一段代码简单地演示一下以前的get()方法和Path的delete()方法。

清单1. InformedDelete.java

 
 
 
    
  
  
  
  1. // InformedDelete.java  
    2. 
  
  
  
  2. import java.io.IOException;  
    3. 
  
  
  
  3. import java.nio.file.DirectoryNotEmptyException;  
    4. 
  
  
  
  4. import java.nio.file.NoSuchFileException;  
    5. 
  
  
  
  5. import java.nio.file.Path;  
    6. 
  
  
  
  6. import java.nio.file.Paths;  
    7. 
  
  
  
  7. public class InformedDelete  
    8. 
  
  
  
  8. {  
    9. 
  
  
  
  9.    public static void main (String [] args)  
    10. 
  
  
  
  10.    {  
    11. 
  
  
  
  11.       if (args.length != 1)  
    12. 
  
  
  
  12.       {  
    13. 
  
  
  
  13.           System.err.println ("usage: java InformedDelete path");  
    14. 
  
  
  
  14.           return;  
    15. 
  
  
  
  15.       }  
    16. 
  
  
  
  16.       // Attempt to construct a Path instance by converting the path argument  
    17. 
  
  
  
  17.       // string. If unsuccessful (you passed an empty string as the  
    18. 
  
  
  
  18.       // command-line argument), the get() method throws an instance of the  
    19. 
  
  
  
  19.       // unchecked java.nio.file.InvalidPathException class.  
    20. 
  
  
  
  20.       Path path = Paths.get (args [0]);  
    21. 
  
  
  
  21.       try  
    22. 
  
  
  
  22.       {  
    23. 
  
  
  
  23.           path.delete (); // Attempt to delete the path.  
    24. 
  
  
  
  24.       }  
    25. 
  
  
  
  25.       catch (NoSuchFileException e)  
    26. 
  
  
  
  26.       {  
    27. 
  
  
  
  27.           System.err.format ("%s: no such file or directory%n", path);  
    28. 
  
  
  
  28.       }  
    29. 
  
  
  
  29.       catch (DirectoryNotEmptyException e)  
    30. 
  
  
  
  30.       {  
    31. 
  
  
  
  31.           System.err.format ("%s: directory not empty%n", path);  
    32. 
  
  
  
  32.       }  
    33. 
  
  
  
  33.       catch (IOException e)  
    34. 
  
  
  
  34.       {  
    35. 
  
  
  
  35.           System.err.format ("%s: %s%n", path, e);  
    36. 
  
  
  
  36.       }  
    37. 
  
  
  
  37.    }  
    38. 
  
  
  
  38. }  
    39. 
  
  
  
  39.  
    40.

InformedDelete调用Path的delete()方法解决了File的delete()方法不能确定失败原因的问题，当Path的delete()当的检测到操作失败时，它会根据情况抛出适当的异常，如：

◆ 如果文件不存在，抛出java.nio.file.NoSuchFileException异常。

◆ 如果文件是一个目录不能删除，抛出java.nio.file.DirectoryNotEmptyException异常，因为这个目录下可能还包括一个空目录。

◆ 如果遇到其他I/O问题，则抛出java.io.IOException的子类异常，例如，如果文件是只读的，抛出java.nio.file.AccessDeniedException异常。

#p#

异步I/O

JSR 51引入了多路复用I/O(无阻塞I/O和选择就绪的结合)使创建高可扩展服务器变得更加容易，本质上是这样的，客户端代码用一个选择器注册一个套接字通道，当通道准备好可以开始I/O操作时发出通知。

如果要深入研究多路复用I/O，请阅读Ron Hitchens的《Java NIO》一书。

JSR 203还引入了异步I/O，它也被用来建立高可扩展服务器，和多路复用I/O不同，异步I/O是让客户端启动一个I/O操作，当操作完成后向客户端发送一个通知。

异步I/O是通过以下位于java.nio.channels包中的接口和类实现的，它们的名称前面都加了Asynchronous前缀：

◆ AsynchronousChannel – 标识一个支持异步I/O的通道。

◆ AsynchronousByteChannel – 标识一个支持读写字节的异步通道，这个接口扩展了AsynchronousChannel。

◆ AsynchronousDatagramChannel – 标识一个面向数据报套接字异步通道，这个类实现了AsynchronousByteChannel。

◆ AsynchronousFileChannel – 标识一个可读，写和操作文件的异步通道，这个类实现了AsynchronousChannel。

◆ AsynchronousServerSocketChannel – 标识一个面向流监听套接字的异步通道，这个类实现了AsynchronousChannel。

◆ AsynchronousSocketChannel – 标识一个面向流连接套接字的异步通道，这个类实现了AsynchronousByteChannel。

◆ AsynchronousChannelGroup – 标识一个用于资源共享的异步通道组。

AsynchronousChannel文档指定了两种形式的异步I/O操作：

◆ Future operation(...)

◆ void operation(... A attachment, CompletionHandler handler)

operation列举I/O操作(如读，写)，V是操作的结果类型，A是附加给操作的对象类型。

第一种形式需要你调用java.util.concurrent.Future方法检查操作是否完成，等待完成和检索结果，清单2的代码演示了这样一个示例。

清单2. AFCDemo1.java

 
 
 
    
  
  
  
  1. // AFCDemo1.java  
    2. 
  
  
  
  2. import java.io.IOException;  
    3. 
  
  
  
  3. import java.nio.ByteBuffer;  
    4. 
  
  
  
  4. import java.nio.channels.AsynchronousFileChannel;  
    5. 
  
  
  
  5. import java.nio.file.Path;  
    6. 
  
  
  
  6. import java.nio.file.Paths;  
    7. 
  
  
  
  7. import java.util.concurrent.Future;  
    8. 
  
  
  
  8. public class AFCDemo1  
    9. 
  
  
  
  9. {  
    10. 
  
  
  
  10.    public static void main (String [] args) throws Exception  
    11. 
  
  
  
  11.    {  
    12. 
  
  
  
  12.       if (args.length != 1)  
    13. 
  
  
  
  13.       {  
    14. 
  
  
  
  14.           System.err.println ("usage: java AFCDemo1 path");  
    15. 
  
  
  
  15.           return;  
    16. 
  
  
  
  16.       }  
    17. 
  
  
  
  17.       Path path = Paths.get (args [0]);  
    18. 
  
  
  
  18.       AsynchronousFileChannel ch = AsynchronousFileChannel.open (path);  
    19. 
  
  
  
  19.       ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate (1024);  
    20. 
  
  
  
  20.       Future result = ch.read (buf, 0);  
    21. 
  
  
  
  21.       while (!result.isDone ())  
    22. 
  
  
  
  22.       {  
    23. 
  
  
  
  23.          System.out.println ("Sleeping...");  
    24. 
  
  
  
  24.          Thread.sleep (500);  
    25. 
  
  
  
  25.       }  
    26. 
  
  
  
  26.       System.out.println ("Finished = "+result.isDone ());  
    27. 
  
  
  
  27.       System.out.println ("Bytes read = "+result.get ());  
    28. 
  
  
  
  28.       ch.close ();  
    29. 
  
  
  
  29.    }  
    30. 
  
  
  
  30. } 
    31.

调用AsynchronousFileChannel's public static AsynchronousFileChannel open(Path file, OpenOption... options)方法打开file参数进行读取，然后创建了一个字节缓冲区存储读取操作的结果。

接下来调用public abstract Future read(ByteBuffer dst, long position)方法异步读取文件的前1024个字节，这个方法返回一个Future实例代表这个操作的结果。

调用read()方法后，进入一个表决循环，重复调用Future的isDone()方法检查操作是否完成，一直等到读操作结束，最后调用Future的get()方法返回读取到的字节大小。

第二种形式需要你指定java.nio.channels.CompletionHandler，并实现下面的方法使用前面操作返回的结果，或是了解操作为什么失败，并采取适当的行动：

◆ 当操作完成时调用void completed(V result, A attachment)，这个操作的结果是由result标识的，附加给操作的对象是由attachment标识的。

◆ 当操作失败时调用void failed(Throwable exc, A attachment)，操作失败的原因是由exc标识的，附加给操作的对象是由attachment标识的。

#p#

我创建了一个程序演示创建和接收读操作状态的通知，其代码如清单3所示。

清单3. AFCDemo2.java

 
 
 
    
  
  
  
  1. // AFCDemo2.java  
    2. 
  
  
  
  2. import java.io.IOException;  
    3. 
  
  
  
  3. import java.nio.ByteBuffer;  
    4. 
  
  
  
  4. import java.nio.channels.AsynchronousFileChannel;  
    5. 
  
  
  
  5. import java.nio.channels.CompletionHandler;  
    6. 
  
  
  
  6. import java.nio.file.Path;  
    7. 
  
  
  
  7. import java.nio.file.Paths;  
    8. 
  
  
  
  8. public class AFCDemo2  
    9. 
  
  
  
  9. {  
    10. 
  
  
  
  10.    static Thread current;  
    11. 
  
  
  
  11.    public static void main (String [] args) throws Exception  
    12. 
  
  
  
  12.    {  
    13. 
  
  
  
  13.       if (args.length != 1)  
    14. 
  
  
  
  14.       {  
    15. 
  
  
  
  15.           System.err.println ("usage: java AFCDemo1 path");  
    16. 
  
  
  
  16.           return;  
    17. 
  
  
  
  17.       }  
    18. 
  
  
  
  18.       Path path = Paths.get (args [0]);  
    19. 
  
  
  
  19.       AsynchronousFileChannel ch = AsynchronousFileChannel.open (path);  
    20. 
  
  
  
  20.       ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate (1024);  
    21. 
  
  
  
  21.       current = Thread.currentThread ();  
    22. 
  
  
  
  22.       ch.read (buf, 0, null,  
    23. 
  
  
  
  23.                new CompletionHandler ()  
    24. 
  
  
  
  24.                {  
    25. 
  
  
  
  25.                    public void completed (Integer result, Void v)  
    26. 
  
  
  
  26.                    {  
    27. 
  
  
  
  27.                       System.out.println ("Bytes read = "+result);  
    28. 
  
  
  
  28.                       current.interrupt ();  
    29. 
  
  
  
  29.                    }  
    30. 
  
  
  
  30.                    public void failed (Throwable exc, Void v)  
    31. 
  
  
  
  31.                    {  
    32. 
  
  
  
  32.                       System.out.println ("Failure: "+exc.toString ());  
    33. 
  
  
  
  33.                       current.interrupt ();  
    34. 
  
  
  
  34.                    }  
    35. 
  
  
  
  35.                });  
    36. 
  
  
  
  36.       System.out.println ("Waiting for completion");  
    37. 
  
  
  
  37.       try  
    38. 
  
  
  
  38.       {  
    39. 
  
  
  
  39.           current.join ();  
    40. 
  
  
  
  40.       }  
    41. 
  
  
  
  41.       catch (InterruptedException e)  
    42. 
  
  
  
  42.       {  
    43. 
  
  
  
  43.       }  
    44. 
  
  
  
  44.       System.out.println ("Terminating");  
    45. 
  
  
  
  45.       ch.close ();  
    46. 
  
  
  
  46.    }  
    47. 
  
  
  
  47. } 
    48.

上面的代码调用AsynchronousFileChannel's public abstract void read(ByteBuffer dst, long position, A attachment, CompletionHandler handler)方法异步读取前1024字节。

虽然我们只演示了单一的读操作，但attachment部分也很重要，上面的代码演示了传递一个null给read()方法，并指定附加类型为Void。

完整的套接字通道功能

JSR 51的DatagramChannel，ServerSocketChannel和SocketChannel类没有完整抽象一个网络套接字，为了绑定通道的套接字，或为了获得/设置套接字选项，你必须先调用每个类的socket()方法检索对等套接字。

JSR 51生效时没有时间定义完整的套接字通道API，因此形成了套接字通道和套接字API混合的局面，JSR203引入新的java.nio.channels.NetworkChannel接口解决了这个问题。

NetworkChannel提供了将套接字绑定到本地地址，返回绑定地址，以及获得/设置套接字选项的方法，这个接口是通过同步和异步套接字类实现的，不再需要调用socket()方法。

JSR 203也引入了新的java.nio.channels.MulticastChannel接口，它为DatagramChannel提供了IP多播的支持，以及对应的异步支持。

总结

本系列文章介绍了即将发布的JDK 7包含的一些新特性，新的里程碑版本可能很快就会发布，你现在就可以尝试一下这些新特性，也许Oracle/Sun将会增加更多的新特性，如JWebPane浏览器组件，因为之前Sun就曾用闭包让我们惊讶过一次了。

关于Java 7的更多内容，欢迎访问推荐专题：Java 7 下一代Java开发技术详解

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