Java NIO

1. 概述

Java NIO (New IO) 由以下三个核心组件组成：

• Channels （通道）
• Buffers （缓冲区）
• Selectors （选择器）

通常，在NIO中，IO从一个Channel开始。数据可以从Channel中读到Buffer，也可以从Buffer中写道Channel。而Selector允许单个线程处理多个Channel。

2. Channel

Channels和Streams很像，但还是有一些不同的：

• 在一个Channels上既可以读又可以写，而Streams只能读或写；
• Channels可以异步读写；
• Channels总是从Buffer中读，或写到Buffer中；

如上所述，数据从通道读取到缓冲区中，从缓冲区写入通道中，如下图所示：

Channel最重要的四种实现：

• FileChannel ： 从文件中读数据
• DatagramChannel ： 可以通过UDP在网络上读写数据
• SocketChannel ： 可以通过TCP在网络上读写数据
• ServerSocketChannel ： 监听TCP连接

3. Buffer

在Java NIO中Buffer用来和Channel交互，数据从channel读到buffer中，从buffer写到channel中。

Buffer本质上是一个内存块，可以在其中写入数据，然后在以后再次读取。该内存块包装在NIO Buffer对象中，该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用该内存块。

使用Buffer读写数据，典型地分为四步：

1. 写数据到Buffer
2. 调用buffer.flip()
3. 从Buffer中读数据
4. 调用 buffer.clear() 或者 buffer.compact()

当你向一个buffer中写数据时，buffer会跟踪你已经写了多少数据了。一旦你需要读取数据，你需要调用flip()方法将buffer从写入模式切换为读取模式。在读取模式下，buffer使你可以读取写入缓冲区的所有数据。

一旦你已经读取了所有数据，你需要清除buffer，以使得它可以再次被写入数据。有两个方法可以达到这个效果：clear()或者compact()。clear()方法会清理整个buffer，compact()方法只清理你已经读过的数据。任何未读的数据都将移至缓冲区的开头，并且将来写入buffer的数据在现在未读的数据之后。

 1 RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
 2 FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
 3 
 4 // create buffer with capacity of 48 bytes
 5 ByteBuffer buf ByteBufferallocate(48 6 
 7 int bytesRead inChannelread(buf); //read into buffer.
 8 while != -1) {
 9 
10   flip();  //make buffer ready for read
11 
12   whilehasRemaining()){
13       Systemoutprint((char) get()); // read 1 byte at a time
14   }
15 
16   clear(); //make buffer ready for writing
17   18 19 close();

Buffer有三个属性：

• capacity
• position
• limit?

position和limit的含义取决于Buffer是处于读模式还是写模式，无论哪种模式下capacity的含义总是不变的。

Capacity?

作为一个内存块，Buffer有一个固定大小，也被称作“capacity”。一旦Buffer满了，就需要清空它（读取数据或清除数据），然后才能将更多数据写入其中。

Position?

当你将数据写入Buffer时，你需要在一个明确的位置写入。初始位置是0，当有数据被写入后，position会向前移动以指向下一个可写入的位置。position的最大值是capacity-1。

当你从Buffer中读取数据时，也需要从一个给定的位置处开始读取。当你将Buffer从写模式切换为读模式时，position会被重置为0。

Limit

在写模式下，limit表示你可以写多少数据到Buffer。在写模式下，limit的值等于capacity。

在读模式下，limit表示你可以从Buffer中读多少数据。因此，当从写模式切换为读模式时，limit被设置为在写模式是的position。换言之，写了多少就能读多少。

3.1. 分配一个缓冲区

为了获得一个Buffer，首先必须先给它分配空间。每种类型的Buffer都有一个allocate()方法来做这件事。?

3.2. 写数据到Buffer

有两种方式向Buffer中写数据：

• 从Channel中向Buffer写数据
• 从Buffer本身向自己写数据，通过put()方法?

flip()

flip()方法将Buffer从写模式切换为读模式，调用flip()将设置position为0，limit不变还是在刚才的位置。?

3.3. 从Buffer中读数据

有两种方式从Buffer中读数据：

• 从Buffer中读数据到Channel
• 从Buffer自身读取，通过get()方法?

rewind()

Buffer.rewind()设置position为0，以至于你可以从头再读一遍Buffer中的所有数据。

clear()

clear()方法将position置为0，并且limit与capacity相等。换句话说，Buffer被清除了。其实，Buffer上的数据并没有被真正清除，只是告诉你你可以将数据写到哪里。

compact()

compact()方法将所有未读的数据复制到Buffer的开头，然后它将position设置在最后一个未读元素的右侧，limit仍然等于capacity。现在，Buffer可以写了，只不过你不能覆盖之前那些未读的数据。?

mark() 和 reset()?

通过调用Buffer.mark()你可以标记一个给定的位置。你可以在随后调用Buffer.reset()返回到刚才标记的位置那里。

4. Selector

Selector是一个组件，它可以检查一个或多个Channel实例，并决定哪些Channel已经准备好读或写。通过这种方式，一个线程可以管理多个通道，从而实现管理多个网络连接（PS：Selelctor可以确定哪些Channel可读或可写，这样只需要一个线程就能管理多个网络连接）

4.1. 为什么要用Selector

使用单个线程来处理多个通道的优点是，处理通道所需的线程更少。事实上，你可以使用一个线程来处理所有的通道。对于操作系统来说，线程之间的切换非常昂贵，而且每个线程也会占用操作系统中的一些资源(内存)。因此，使用的线程越少越好。（PS：但是请记住，现代操作系统和CPU在多任务处理方面变得越来越好，因此，随着时间的推移，多线程的开销会越来越小。）

4.2. 创建Selector

Channel必须是非阻塞模式才能和Selector一起使用。这就意味着FileChannel不能和Selector一起用，因为FileChannel不能切换成非阻塞模式。

register()方法的第二个参数表示你希望通过Selector在Channel中监听的事件。有四种不同的事件可以被监听：

1. Connect
2. Accept
3. Read
4. Write

这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示：

1. SelectionKey.OP_CONNECT?
2. SelectionKey.OP_ACCEPT
3. SelectionKey.OP_READ
4. SelectionKey.OP_WRITE

如果你对多个事件都感兴趣，可以这样写：

1 interestSet OP_READ | OP_WRITE;

4.3. 通过Selector选择Channel

在调用任意一个select()方法以后，会返回你感兴趣的并且相应事件已经准备好的channel给你。简单地来说就是，如果你对已经为读取做好准备的channel感兴趣，那么你将从select()方法中接收到这样的channel。

• select() ： 阻塞，直到至少有一个你注册的事件准备好的channel
• select(long timeout) ： 跟select()很像，多了一个超时时间
• selectNow() ： 不阻塞，无论有没有已经准备好的channel都立刻返回

select()方法的返回值是一个int值，表示有多少个准备好的channel。也就是说，在上一次调用select()以后有多少个channel变成已准备好。

完整的示例：

5. SocketChannel

Java NIO SocketChannel是连接到TCP网络Socket的通道。

创建SocketChannel有两种方式：

• 打开一个SocketChannel并连接到服务器上
• 当一个输入连接到达ServerSocketChannel时，也会创建一个SocketChannel?

5.1. 从SocketChannel中读取

SocketChannel.read()方法将数据从SocketChannel读到Buffer中，其返回值表示有多少字节被写道Buffer中。如果返回-1，则表示到达流的末尾。

5.2. 写数据到SocketChannel

注意，SocketChannel.write()是放在while循环体中的。由于无法保证write()方法将多少字节写入SocketChannel，因此，要重复调用write()方法，直到缓冲区没有字节可写为止。

5.3. 非阻塞模式

当一个SocketChannel被设置为非阻塞模式时，你就可以异步地调用connect(),read(),write()方法了。

connect()?

如果SocketChannel是非阻塞模式，那么当你调用connect()方法时，该方法可能在建立连接之前返回。为了确定连接是否已经成功建立，可以调用finishConnect()方法。

write() 和 read()

在非阻塞模式下，write()方法可能会在未写入任何内容的情况下返回，因此需要在循环中调用write()。同样的，在非阻塞模式下，read()方法可能在没有读取任何数据的情况下就返回了，因此，需要注意返回的int，它告诉我们读取了多少字节。?

6. ServerSocketChannel

Java NIO ServerSocketChannel是一个可以监听输入TCP连接的通道，就像标准Java网络中的ServerSocket一样。?

6.1. Listening for Incoming Connections

通过调用ServerSocketChannel.accept()方法可以监听输入的连接。当accept()方法有返回的时候，它返回一个带有输入连接的SocketChannel。因此，accept()会阻塞直到有输入连接到来为止。通常的做法是这样的：