Неблокирующий ввод-вывод (Java)

java.nio (NIO означает «Новый ввод/вывод»). ^[1]^[2]) — это набор языка программирования Java API-интерфейсов , которые предлагают функции для интенсивных операций ввода-вывода . Он был представлен J2SE в выпуске Java Sun Microsystems 1.4 в дополнение к существующему стандарту ввода-вывода. NIO был разработан в рамках процесса сообщества Java как JSR 51. ^[3] Расширение NIO, предлагающее новый API файловой системы под названием NIO.2, было выпущено вместе с Java SE 7 («Dolphin»). ^[4]

Особенности и организация

API-интерфейсы NIO были разработаны для обеспечения доступа к низкоуровневым операциям ввода-вывода современных операционных систем. Хотя API-интерфейсы сами по себе являются относительно высокоуровневыми, их цель состоит в том, чтобы облегчить реализацию, которая может напрямую использовать наиболее эффективные операции базовой платформы.

API-интерфейсы Java NIO представлены в java.nio пакет и его подпакеты. В документации Oracle указаны эти функции.

Буферы для данных примитивных типов
наборов символов Кодеры и декодеры
Средство сопоставления с образцом, основанное на Perl (в пакете регулярных выражениях в стиле java.util.regex)
Каналы, новая примитивная абстракция ввода-вывода.
Файловый интерфейс, поддерживающий блокировки и сопоставление памяти файлов размером до Integer.MAX_VALUE байты (2 ГиБ )
Мультиплексный для неблокирующий ввод-вывод написания масштабируемых серверов.

NIO-буферы

Передача данных NIO основана на буферах ( java.nio.Buffer и родственные классы). Эти классы представляют собой непрерывный объем памяти вместе с небольшим количеством операций передачи данных. Хотя теоретически это структуры данных общего назначения, реализация может выбирать память для характеристик выравнивания или подкачки, которые иначе недоступны в Java. Обычно это используется для того, чтобы позволить содержимому буфера занимать ту же физическую память, которая используется базовой операционной системой для ее собственных операций ввода-вывода, что обеспечивает наиболее прямой механизм передачи и устраняет необходимость в любом дополнительном копировании. В большинстве операционных систем, при условии, что конкретная область памяти имеет правильные свойства, передача может происходить вообще без использования ЦП. Буфер NIO намеренно ограничен в возможностях для достижения этих целей.

Существуют буферные классы для всех примитивных типов Java, кроме boolean, который может использовать память совместно с байтовыми буферами и допускать произвольную интерпретацию базовых байтов.

Использование

Буферы NIO поддерживают несколько указателей, определяющих функции их методов доступа. Реализация буфера NIO содержит богатый набор методов для изменения этих указателей:

The flip() Вместо выполнения функции «переворота» или пейджинга в каноническом смысле перемещает указатель позиции в начало координат базового массива (если таковой имеется), а указатель предела — в предыдущую позицию указателя позиции .
Три get() предоставляются методы для передачи данных из буфера NIO. Массовая реализация вместо выполнения «получения» в традиционном смысле слова «помещает» данные в указанный массив. Аргумент «смещение», передаваемый этому методу, относится не к смещению внутри буфера, из которого выполняется чтение, и не к смещению от указателя позиции , а скорее к смещению от 0 внутри целевого массива.
Если не использовать абсолютный get() и put() методы, любые get() или put() осуществляется от указателя положения . Если нужно прочитать из другой позиции в базовом массиве, не меняя при этом позицию записи , mark() и reset() методы были предоставлены.
The mark() Метод эффективно сохраняет положение указателя позиции , устанавливая указатель метки в положение указателя позиции . reset() метод заставляет указатель положения перемещаться в метки . положение указателя
При вызове clear() метод или flip() метод, указатель метки отбрасывается.
The clear() Метод не обеспечивает обнуление буфера, но возвращает указатель предела на верхнюю границу базового массива, а указатель позиции — на ноль.
put() и get() операции для буферов NIO не являются потокобезопасными.
Вы можете только map() а java.nio.MappedByteBuffer из java.nio.channels.FileChannel до Integer.MAX_VALUE по размеру (2ГиБ); к регионам, выходящим за пределы этого предела, можно получить доступ, используя смещение больше нуля.

Каналы

Каналы ( классы, реализующие интерфейс java.nio.channels.Channel) предназначены для обеспечения массовой передачи данных в буферы NIO и обратно. Это механизм передачи данных низкого уровня, существующий параллельно с классами библиотеки ввода-вывода более высокого уровня (пакеты java.io и java.net). Реализация канала может быть получена из класса передачи данных высокого уровня, такого как java.io.File, java.net.ServerSocket, или java.net.Socket, и наоборот. Каналы аналогичны « файловым дескрипторам », встречающимся в Unix-подобных операционных системах.

Файловые каналы ( java.nio.channels.FileChannel) может использовать произвольные буферы, но также может создать буфер, напрямую сопоставленный с содержимым файла с помощью файла, отображенного в памяти . Они также могут взаимодействовать с блокировками файловой системы . Аналогично, сокетов ( каналы java.nio.channels.SocketChannel и java.nio.channels.ServerSocketChannel) позволяют передавать данные между сокетами и буферами NIO.

FileChannel может использоваться для копирования файла, что потенциально гораздо более эффективно, чем использование старого чтения/записи с массивом байтов. Типичный код для этого:

// Getting file channels
try(FileChannel in = FileChannel.open(source, StandardOpenOption.READ);
    FileChannel out = FileChannel.open(target, StandardOpenOption.WRITE)) {

    // JavaVM does its best to do this as native I/O operations.
    in.transferTo(0, in.size(), out);
}

Селекторы

Селектор ( java.nio.channels.Selector и подклассы) предоставляет механизм ожидания каналов и распознавания, когда один или несколько каналов становятся доступными для передачи данных. Когда в селекторе зарегистрировано несколько каналов, это позволяет блокировать ход программы до тех пор, пока хотя бы один канал не будет готов к использованию или пока не возникнет состояние прерывания.

Хотя такое поведение мультиплексирования можно реализовать с помощью потоков, селектор может обеспечить значительно более эффективную реализацию с использованием конструкций операционной системы более низкого уровня. концепций — select ( Например, POSIX-совместимая операционная система будет иметь прямое представление этих ) . Заметным применением этой конструкции могла бы стать общая парадигма серверного программного обеспечения, которая предполагает одновременное ожидание ответов в нескольких сеансах.

Наборы символов

В Java набор символов — это отображение между символами Юникода (или их подмножеством) и байтами. java.nio.charset Пакет NIO предоставляет средства для идентификации наборов символов и предоставления алгоритмов кодирования и декодирования для новых сопоставлений.

Прием

Неожиданно, что канал, связанный с файлом Java IO RandomAccess, закрывает дескриптор файла при прерывании, тогда как собственный метод чтения RandomAccessFiles этого не делает. ^[5]

JDK 7 и НИО.2

JDK 7 включает в себя java.nio.file пакет, который вместе с Path Класс (также новый в JDK 7), помимо других функций, предоставляет расширенные возможности для задач файловой системы, например, может работать с символическими / жесткими ссылками и выгружать большие списки каталогов в буферы быстрее, чем старый класс File. java.nio.file пакет и связанный с ним пакет, java.nio.file.attribute, обеспечивают комплексную поддержку файлового ввода-вывода и доступа к файловой системе. Поставщик файловой системы zip также доступен в JDK 7.

The java.nio.file.LinkOption — это пример эмуляции расширяемых перечислений с помощью интерфейсов. ^[6] В Java невозможно иметь один Enum продлить еще один Enum. Однако можно эмулировать расширяемый Enum печатать, имея Enum реализовать один или несколько интерфейсов. LinkOption — это тип перечисления, который реализует как OpenOption и CopyOption интерфейсы, которые имитируют эффекты расширяемого Enum тип. Небольшим недостатком этого подхода является то, что реализации не могут наследоваться между различными Enum типы.

^[6]

Цитаты

^ «Java NIO — Руководство разработчика основных библиотек Java» . doc.oracle.com . Проверено 30 сентября 2022 г.
^ «Начало работы с новым вводом-выводом (NIO)» . разработчик.ibm.com . Проверено 30 сентября 2022 г.
^ «JSR 51: Новые API ввода-вывода для платформы JavaTM» . Программа Java Community Process (SM) — JSR: запросы спецификаций Java . Проверено 23 мая 2009 г.
^ «Этот JSR будет поставляться как часть Java SE 7 «Dolphin».» «JSR 203: новые API ввода-вывода для платформы JavaTM («NIO.2»)» . Программа Java Community Process (SM) — JSR: запросы спецификаций Java . 30 января 2006 г. Проверено 23 мая 2009 г.
^ Не думайте, что вы знаете, что лучше , Шон Пирс, автор книги Gerrit (Программное обеспечение) , 14 мая 2010 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Bloch 2018 , стр. 176–179, Глава §6, пункт 38. Эмуляция расширяемых перечислений с помощью интерфейсов.

Ссылки

Блох, Джошуа (2018). «Эффективная Java: Руководство по языку программирования» (третье изд.). Аддисон-Уэсли. ISBN 978-0134685991 .

Внешние ссылки

Java SE 19 API Javaдокументация
JDK 5.0 Новые API-интерфейсы ввода-вывода и руководства для разработчиков — описание нового ввода-вывода от Oracle Corporation
Изучите Java SE 7 | Особенности НИО 2
JSR 51 (НИО)
JSR 203 (НИО.2)
Архитектура высокомасштабируемого сервера на базе NIO — обсуждение Java NIO и шаблонов использования
Учебное пособие по Java NIO
Учебное пособие Rox по Java NIO
Масштабируемый ввод-вывод в Java (PDF)

[1] «Java NIO — Руководство разработчика основных библиотек Java» . doc.oracle.com . Проверено 30 сентября 2022 г.

[2] «Начало работы с новым вводом-выводом (NIO)» . разработчик.ibm.com . Проверено 30 сентября 2022 г.

[3] «JSR 51: Новые API ввода-вывода для платформы JavaTM» . Программа Java Community Process (SM) — JSR: запросы спецификаций Java . Проверено 23 мая 2009 г.

[4] «Этот JSR будет поставляться как часть Java SE 7 «Dolphin».» «JSR 203: новые API ввода-вывода для платформы JavaTM («NIO.2»)» . Программа Java Community Process (SM) — JSR: запросы спецификаций Java . 30 января 2006 г. Проверено 23 мая 2009 г.

[5] Не думайте, что вы знаете, что лучше , Шон Пирс, автор книги Gerrit (Программное обеспечение) , 14 мая 2010 г.

[FOOTNOTEBloch2018176–179Chapter_§6_Item_38_Emulate_extensible_enums_with_interfaces-6] Перейти обратно: ^а ^б Bloch 2018 , стр. 176–179, Глава §6, пункт 38. Эмуляция расширяемых перечислений с помощью интерфейсов.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]