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NIO基本操作

NIO

NIO早在JDK1.4中就已经提出来了(JSR51),在JDK1.7中对NIO进行了补充类库NIO.2(JSR 203),NIO又叫Non-blocking IO,即非阻塞IO

同步非阻塞

阻塞与非阻塞的区别:

  • 阻塞时,在调用结果返回时,当前线程会被挂起,并在得到结果之后返回

    传统的 IO 流都是阻塞式的。也就是说,当一个线程调用 read() 或 write() 时,该线程被阻塞,直到有一些数据被读取或写入,该线程在此期间不能执行其他任务。因此,在完成网络通信进行 IO 操作时,由于线程会阻塞,所以服务器端必须为每个客户端都提供一个独立的线程进行处理,当服务器端需要处理大量客户端时,性能急剧下降

  • 非阻塞时,如不能立即得到结果,该调用不会阻塞当前线程,可以继续完成其他操作,只需要定时轮询查看处理状态

    Java NIO 是非阻塞模式的。当线程从某通道进行读写数据时,若没有数据可用时,该线程可以进行其他任务。线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作,所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。因此,NIO 可以让服务器端使用一个或有限几个线程来同时处理连接到服务器端的所有客户端

与普通IO的不同和关系

  • NIO是面向通道和缓冲区的,普通IO是面向字节流和字符流的

  • NIO不再是和IO一样用OutputStream和InputStream输入流的形式来进行处理数据的,但是又是基于这种流的方式,采用了通道和缓冲区的形式进行处理

  • NIO的通道是可以双向的,IO的流只能是单向的

  • NIO的缓冲区(字节数组)还可以进行分片,可以建立只读缓冲区、直接缓冲区和间接缓冲区,只读缓冲区就是只可以读,直接缓冲区是为了加快I/O速度,以一种特殊的方式分配其内存的缓冲区

  • NIO采用的是多路复用的IO模型,BIO用的是阻塞的IO模型

通道Channel负责传输,缓冲区Buffer负责存储

核心组件

NIO中包含有几个核心组件:Channel、Buffer、Selector

缓冲区Buffer

Buffer本质是一块内存区,可以来进行数据读取

  • Buffer是一个对象,它包含一些要写入或者刚读出的数据。在NIO中加入Buffer对象,在流式IO中,将数据直接写入或者读到Stream对象中

  • 在NIO库中,所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时,它是直接读到缓冲区中的。在写入数据时,它是写入到缓冲区的。任何时候访问NIO中的数据,都需要将它放到缓冲区中

  • 缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数组,但是也可以使用其他种类的数组。但是一个缓冲区不仅仅是一个数组,缓冲区提供了对数据的结构化访问,而且还可以跟踪系统的读/写进程

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ByteBuffer
CharBuffer
ShortBuffer
IntBuffer
LongBuffer
FloatBuffer
DoubleBuffer
重要变量及方法

最最重要的就是三个变量positionlimitcapacity,这三个一定要弄清楚

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// 0<=mark<=position<=limit<=capacity

//标记位置,记录标记时的position位置,可以使用reset()恢复到mark标记的位置 mark<=position
private int mark = -1;
//当前进行读写操作的数据元素的位置position<=limit
private int position = 0;
//缓冲区数组中进行读写操作的最大允许位置,limit<=capacity,limit之后的数据不能进行读写
// 如果为写模式,limit=capacity
// 如果为读模式,limit为写入时的position
private int limit;
//缓冲区数组的总长度,能够容纳的数据元素的最大数量,创建时指定的,不可以改变
private int capacity;

public final int capacity() {
return capacity;
}

public final int position() {
return position;
}

public final Buffer position(int newPosition) {
if ((newPosition > limit) || (newPosition < 0))
throw new IllegalArgumentException();
position = newPosition;
if (mark > position) mark = -1;
return this;
}

public final int limit() {
return limit;
}

public final Buffer limit(int newLimit) {
if ((newLimit > capacity) || (newLimit < 0))
throw new IllegalArgumentException();
limit = newLimit;
if (position > newLimit) position = newLimit;
if (mark > newLimit) mark = -1;
return this;
}

// 将当前位置进行标记
public final Buffer mark() {
mark = position;
return this;
}
// 使用reset方法可以将读写位置回到mark的位置上
public final Buffer reset() {
int m = mark;
if (m < 0)
throw new InvalidMarkException();
position = m;
return this;
}

// 清空缓冲区,但是缓存区的数据还在
//将读写位置置为0
// 读写限制为容量
// 标记恢复-1
public final Buffer clear() {
position = 0;
limit = capacity;
mark = -1;
return this;
}

// 读写模式切换
// 将读写限制设为当前位置
// 读写位置设为0
// 标记恢复-1
public final Buffer flip() {
limit = position;
position = 0;
mark = -1;
return this;
}

// 可重复读
// 读写位置设为0
// 标记恢复-1
public final Buffer rewind() {
position = 0;
mark = -1;
return this;
}

示例:

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// 分配一个指定大小的缓冲区
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
// 0
System.out.println(buf.position());
// 1024
System.out.println(buf.limit());
// 1024
System.out.println(buf.capacity());

buf.put("hello".getBytes());
System.out.println("写操作后");
// 5
System.out.println(buf.position());
// 1024
System.out.println(buf.limit());
// 1024
System.out.println(buf.capacity());
// 将写模式切换为读模式,position置为0,limit为之前写入的数据位置position
buf.flip();
System.out.println("切换为读模式");
// 0
System.out.println(buf.position());
// 5
System.out.println(buf.limit());
// 1024
System.out.println(buf.capacity());

byte[] read = new byte[buf.limit()];
buf.get(read);
System.out.println(new String(read,0,read.length));

System.out.println("数据读取之后");
// 5
System.out.println(buf.position());
// 5
System.out.println(buf.limit());
// 1024
System.out.println(buf.capacity());

// 将position变为0,可以重复读取buffer中的数据,limit保持不变
buf.rewind();
System.out.println("重新读取");
// 0
System.out.println(buf.position());
// 5
System.out.println(buf.limit());
// 1024
System.out.println(buf.capacity());

byte[] two = new byte[2];
buf.get(two);
System.out.println(new String(two,0,two.length));
System.out.println("读取2个字节");
// 2
System.out.println(buf.position());
// 5
System.out.println(buf.limit());
// 1024
System.out.println(buf.capacity());
// 标记当前位置,将mark值置为position,记录当前位置,可以使用reset来恢复至mark的位置
buf.mark();
buf.get(two);
System.out.println(new String(two,0,two.length));
System.out.println("再次读取2个字节");
// 4
System.out.println(buf.position());
// 5
System.out.println(buf.limit());
// 1024
System.out.println(buf.capacity());
// 使用reset来恢复至mark的位置,将position值置为mark
buf.reset();
System.out.println("重置");
// 2
System.out.println(buf.position());
// 5
System.out.println(buf.limit());
// 1024
System.out.println(buf.capacity());
// 将position置为0,limit置为capacity,表示将数据清空
buf.clear();
System.out.println("清空缓冲区");
// 0
System.out.println(buf.position());
// 1024
System.out.println(buf.limit());
// 1024
System.out.println(buf.capacity());

byte[] clearData = new byte[5];
buf.get(clearData);
// 清空缓冲区之后数据还在,只是position和limit恢复到了原本的状态
// hello
System.out.println(new String(clearData,0,clearData.length));
步骤
  • 声明buffer,分配一个指定大小的缓冲区,此时limit和capacity都已确定,为1024

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    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
  • 将数据写入buffer,position会根据写入数据的长度而变化,即记录写入的位置

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    buf.put("hello".getBytes());
  • 调用flip,将写模式切换为读模式,此时limit会变为写入的position值,position置为0,将原来的写模式切换为读模式

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    buf.flip();
  • 从buffer中读取数据,由于切换为读模式时,limit为写入的position值,所以使用buf.limit就可以获取到写入的数据长度,读取时会根据读的数据来更新position值,标记读取的位置

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    byte[] read = new byte[buf.limit()];
    buf.get(read);
    System.out.println(new String(read,0,read.length));
  • 调用buffer.clean,读取完成后,清除掉buffer中的数据,调用clean方法当然其实数据还是在的,只是将limit和position的值变为了初始化时的最原始的值

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    buf.clear();
直接缓冲区
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// 非直接缓冲区
ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
// 直接缓冲区
ByteBuffer allocateDirect = ByteBuffer.allocateDirect(10);

通道Channel

通道是对原I/O包中的流的模拟,表示打开到IO设备的连接,本身不存储数据。NIO中的所有的IO操作都是从Channel开始的,到任何目的地的所有数据都必须通过一个Channel对象(通道),然后再将数据写到Buffer,一个Buffer实质上就是一个容器对象。发送给一个通道的所有对象都必须首先放到缓冲区中;从通道中读取的任何数据都要读到缓冲区中,Channel只能与Buffer进行交互

与IO流的区别
  • 通道可以读也可以写,而流只能是单向的(只能读或者写)
  • 通道可以异步读写
  • 通道总是基于缓冲区Buffer来进行读写的
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public interface Channel extends Closeable {

public boolean isOpen();

public void close() throws IOException;

}

该Channel基础接口有两个子接口ReadableByteChannel、WritableByteChannel,如果只实现两个接口中的任意一个那就是单向的,只能读或者只能写;如果同时实现了这两个接口,那就是双向的。当然这些接口基本上也不会用到,都被封装了很多层了

有两个比较重要的通道,文件通道和套接字通道

文件通道

FileChannel用于文件的数据读写,文件通道总是阻塞式的

FileChannel的创建

主要有两个方式

第一种方式

使用FileChannel.open()方法创建

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public static FileChannel open(Path path, OpenOption... options)
throws IOException
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// 第一个参数为文件路径
// 余下的参数为打开文件的选项 是一个可变参数,可以传多个模式
FileChannel.open(Paths.get(FILE), StandardOpenOption.READ,StandardOpenOption.CREATE,StandardOpenOption.WRITE);

第二种方式

使用文件流来创建

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FileChannel fileChannel = new FileOutputStream(FILE).getChannel()

FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(FILE,"rw").getChannel()
// 注意使用FileInputStream得到的通道是以read-only权限打开的文件
FileChannel fileChannel = new FileInputStream(FILE).getChannel()
读写示例
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public static void main(String[] args) {
//生成FileChannel文件通道 FileChannel的操作--> 操作ByteBuffer用于读写,并独占式访问和锁定文件区域


// 写入文件
try(FileChannel fileChannel = new FileOutputStream(FILE).getChannel()){
fileChannel.write(ByteBuffer.wrap("test".getBytes()));
} catch (IOException e){
throw new RuntimeException("写入文件失败",e);
}
// 在文件结尾写入
try(FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(FILE,"rw").getChannel()){
fileChannel.position(fileChannel.size());//移至文件结尾
fileChannel.write(ByteBuffer.wrap("some".getBytes()));
} catch (IOException e){
throw new RuntimeException("写入文件结尾失败",e);
}

try(FileChannel fileChannel = new FileInputStream(FILE).getChannel();
FileChannel out = new FileOutputStream("C:\\Users\\Desktop\\copy.txt").getChannel()
){
// 读取操作,需要调用allocate显示分配ByteBuffer
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// read之后将数据放入缓冲区
while (fileChannel.read(byteBuffer) != -1){
byteBuffer.flip(); // 准备写入
out.write(byteBuffer);
byteBuffer.clear(); // 清空缓存区
}
} catch (IOException e){
throw new RuntimeException("读取文件失败",e);
}
}
文件传输

可以直接使用transferFrom、transferTo传输方法来快速的传输数据

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// 从src源通道中的数据写入当前文件通道
public abstract long transferFrom(ReadableByteChannel src,
long position, long count)
throws IOException;
// 从当前文件通道中的数据写入target通道
public abstract long transferTo(long position, long count,
WritableByteChannel target)
throws IOException;
套接字通道

在之前使用套接字时通常使用Socket和ServerSocket来进行网络编程,ServerSocket使用accept进行端口监听,但是使用accept时会处于阻塞状态,一直等待客户端程序的连接请求,严重影响到系统的性能和吞吐量

在NIO中提供了NetworkChannel接口来进行套接字通道,其有三个重要的实现SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel

客户端、服务端分别使用SocketChannel和ServerSocketChannel来创建通道,其提高性能和吞吐量的核心在于多路复用器,也就是Selector,可以设置为非阻塞

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// 设置为非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
ServerSocketChannel

其对应于ServerSocket类

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// 创建ServerSocketChannel
public static ServerSocketChannel open();
// 绑定地址
public final ServerSocketChannel bind(SocketAddress local);
// 如果是非阻塞状态,该方法会直接返回null
public abstract SocketChannel accept() throws IOException;
SocketChannel

其对应于Socket类

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// 创建SocketChannel
public static SocketChannel open();
// 可以绑定地址
public abstract SocketChannel bind(SocketAddress local);
// 连接服务端
public abstract boolean connect(SocketAddress remote) throws IOException;
DatagramChannel

对应DatagramSocket类,用来进行UDP通信的

选择器Selector

Selector是多路复用器,管理着一个被注册的通道集合的信息和它们的事件状态,用于同时监测多个SelectableChannel 通道的事件状态以实现单线程可以操作多个通道的数据来实现异步I/O。

SelectionKey选择键中封装了特定的通道与特定的选择器的注册关系,通过SelectableChannel.register方法返回被提供一个表示这种注册关系的标记

在使用的时候需要将Channel注册到Selector上,这样就可以调用Selector#select方法来找到一个状态符合条件的Channel。

通过一个选择器来同时对多个套接字通道进行监听,当套接字通道有可用的事件的时候,通道改为可用状态,选择器就可以实现可用的状态。

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// 读操作
public static final int OP_READ = 1 << 0;
// 写操作
public static final int OP_WRITE = 1 << 2;
// 连接已经建立
public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;
// 接收
public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;
获取已注册的键

有很多方式来进行获取

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// 该方法可以获取到所有注册过的键,但是并不是所有注册过的键都有效
Selector.keys();
// 该方法可以获取已经准备好的键
Selector.selectedKeys();
步骤
  • 创建一个Selector

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    Selector selector = Selector.open();
  • 将channel注册到Selector

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    SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
    // 设置为非阻塞
    socketChannel.configureBlocking(false);
    // 注册监听的事件,第二个参数就是上述所列出的事件,该方法的返回值是SelectionKey
    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
  • 取出所监听的事件

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    // 关注的事件集合
    int interestSet = selectionKey.interestOps();
    // 在使用的时候使用&来进行判断是否包含该事件
    boolean isInterestAccept = (interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT) != 0;
    boolean isInterestConnect = (interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT) != 0;
    boolean isInterestRead = (interestSet & SelectionKey.OP_READ) != 0;
    boolean isInterestWrite = (interestSet & SelectionKey.OP_WRITE) != 0;

    // 获取准备就绪的事件集合
    int readySet = selectionKey.readyOps();
    // 在使用的时候使用&来进行判断是否包含该事件
    boolean isAccept = (readySet & SelectionKey.OP_ACCEPT) != 0;
    boolean isConnect = (readySet & SelectionKey.OP_CONNECT) != 0;
    boolean isRead = (readySet & SelectionKey.OP_READ) != 0;
    boolean isWrite = (readySet & SelectionKey.OP_WRITE) != 0;
    // 也可以直接使用方法判断
    selectionKey.isReadable()
    selectionKey.isWritable()
    selectionKey.isConnectable()
    selectionKey.isAcceptable()

  • 获取channel和selector

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    // channel方法可以返回与该键相关的SelectableChannel对象
    Channel channel = selectionKey.channel();
    // selector返回相关的Selector对象
    Selector selector = selectionKey.selector()
  • 调用select可以获取channel,该方法会进行阻塞,直到有合适的channel,返回值为1表示有channel达到就绪状态;已取消的键会被清理掉

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    selector.select();
  • 获取事件集合

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    Set<SelectionKey> selectionKeys =  selector.selectedKeys();
    Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
  • 遍历事件

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    while (iterator.hasNext()){
    SelectionKey selectionKey = iterator.next();
    if(selectionKey.isAcceptable()){
    // doSomething

    } else if(selectionKey.isReadable()){
    // doSomething

    } else if(selectionKey.isWritable()){
    // doSomething
    }
    // Selector本身不会移除SelectKey,所以需要手动移除,不然会重复操作
    // 当下次channel处于就绪状态时,Selector会把这些key再添加进来
    iterator.remove();
    }

工作原理

客户端—–》Channel—–》Selector——》keys–状态改变—》server

Buffer 缓冲区
Channel 通道
Selector 选择器

Server端创建ServerSocketChannel 有一个Selector多路复用器 轮询所有注册的通道,根据通道状态,执行相关操作

  • Connect 连接状态
  • Accept 阻塞状态
  • Read 可读状态
  • Write 可写状态

Client端创建SocketChannel 注册到Server端的Selector

NIO网络编程示例

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ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 绑定8080端口
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
// 注册监听的事件
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while(true){
selector.select();
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()){
SelectionKey selectionKey = iterator.next();
if(selectionKey.readyOps() == SelectionKey.OP_ACCEPT){
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
// 接收到服务端的请求
SocketChannel sc = ssc.accept();
sc.configureBlocking(false);
// SocketChannel注册到selector,关注OP_READ事件
sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
// 移除当前的SelectionKey,防止重复操作
iterator.remove();
} else if(selectionKey.readyOps() == SelectionKey.OP_READ){
SocketChannel sc = (SocketChannel) selectionKey.channel();
byteBuffer.clear();
int n = sc.read(byteBuffer);
if(n > 0){
byteBuffer.flip();
Charset charset = StandardCharsets.UTF_8;
String message = String.valueOf(charset.decode(byteBuffer).array());
System.out.println(message);
}
sc.register(selector,SelectionKey.OP_WRITE);
iterator.remove();
} else if(selectionKey.readyOps() == SelectionKey.OP_WRITE){
SocketChannel sc = (SocketChannel) selectionKey.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("已接收到消息".getBytes());
buffer.flip();
sc.write(buffer);
iterator.remove();
}
}
}

内存映射文件

内存映射文件可以创建和修改那些因为太大而无法放入内存的文件,使用内存映射缓冲区MappedByteBuffer

使用FileChannel.map()方法可以在一个打开的文件和一个特殊类型的ByteBuffer之间建立一个虚拟内存映射,创建一个由磁盘文件支持的虚拟内存映射并在那块虚拟内存空间外部封装一个MappedByteBuffer对象

该MappedByteBuffer对象调用get方法会从磁盘文件中获取数据,调用put方法会更新磁盘上的文件,该操作比常规读写效率高,操作系统的虚拟内存可以自动缓存内存页,这些页是用系统内存来缓存的,不会消耗JVM堆内存;且访问该内存页不需要再次调用系统命令来获取数据

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RandomAccessFile tdat = new RandomAccessFile("test.dat", "rw");
MappedByteBuffer out = tdat.getChannel().map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, length);

// 或者
FileChannel fc = new FileInputStream(new File("temp.tmp")).getChannel();
IntBuffer ib = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY,0, fc.size()).asIntBuffer();

映射文件访问比标准IO性能高很多

文件锁定

文件锁定可同步访问,文件锁对其他操作系统进程可见,因为java文件锁直接映射到本机操作系统锁定工具。

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public class FileLockTest {
private static final String FILE = "C:\\Users\\sinosoft\\Desktop\\剩余工作副本.txt";
public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
FileChannel fileChannel = new FileOutputStream(FILE).getChannel();

// 文件锁
FileLock fileLock = fileChannel.tryLock();
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
FileChannel fileChannel = null;
try {
fileChannel = new FileOutputStream(FILE).getChannel();
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
}
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
byteBuffer.put("aqws".getBytes());
try {
System.out.println("线程准备写");
fileChannel.write(byteBuffer);
System.out.println("线程写完");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
thread.start();
if(fileLock != null){
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
byteBuffer.put("aqwqdqdhwfwihfejfhi".getBytes());
System.out.println("主线程睡眠");
Thread.sleep(10000);
// 会报错 java.nio.channels.NonWritableChannelException
// fileChannel.read(byteBuffer);
System.out.println("主线程准备写");
fileChannel.write(byteBuffer);
fileLock.release();
}
}
}



主线程睡眠
线程准备写
java.io.IOException: 另一个程序已锁定文件的一部分,进程无法访问。
at sun.nio.ch.FileDispatcherImpl.write0(Native Method)
at sun.nio.ch.FileDispatcherImpl.write(FileDispatcherImpl.java:75)
at sun.nio.ch.IOUtil.writeFromNativeBuffer(IOUtil.java:93)
at sun.nio.ch.IOUtil.write(IOUtil.java:65)
at sun.nio.ch.FileChannelImpl.write(FileChannelImpl.java:211)
at com.zhanghe.study.io.nio.FileLockTest$1.run(FileLockTest.java:35)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
主线程准备写


通过调用FileChannel上的tryLock或lock,可以获得整个文件的FileLock(SocketChannel、DatagramChannel和ServerSocketChannel不需要锁定,因为本质上就是单线程实体)

tryLock()是非阻塞的,试图获取锁,若不能获取,只是从方法调用返回

lock()会阻塞,直到获得锁,或者调用lock()的线程中断,或者调用lock()方法的通道关闭。

使用FileLock.release()释放锁

1
2
// 锁定文件的一部分,锁住size-position区域。第三个参数指定是否共享此锁
tryLock(long position, long size, boolean shared)

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