22、Java NIO字符集与JNI及可选择通道SPI详解

Java NIO字符集与JNI及可选择通道SPI详解

1. 自定义字符集Rot13的实现

在Java编程中，有时需要处理字符集转码问题，甚至创建自定义字符集。下面我们将详细介绍自定义字符集Rot13的实现。

1.1 Rot13字符集概述

Rot13是一种简单的文本混淆算法，它将字母表中的字母向后移动13位，例如 ‘a’ 变成 ‘n’，’o’ 变成 ‘b’ 等。该算法具有对称性，对经过Rot13加密的文本再次应用该算法，将得到原始的未加密文本。

1.2 Rot13字符集代码实现

以下是Rot13字符集的具体代码实现：

package com.ronsoft.books.nio.charset;

import java.nio.CharBuffer;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.CharsetEncoder;
import java.nio.charset.CharsetDecoder;
import java.nio.charset.CoderResult;
import java.util.Map;
import java.util.Iterator;
import java.io.Writer;
import java.io.PrintStream;
import java.io.PrintWriter;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.FileReader;

public class Rot13Charset extends Charset {
    private static final String BASE_CHARSET_NAME = "UTF-8";
    Charset baseCharset;

    protected Rot13Charset (String canonical, String [] aliases) {
        super (canonical, aliases);
        baseCharset = Charset.forName (BASE_CHARSET_NAME);
    }

    public CharsetEncoder newEncoder() {
        return new Rot13Encoder (this, baseCharset.newEncoder());
    }

    public CharsetDecoder newDecoder() {
        return new Rot13Decoder (this, baseCharset.newDecoder());
    }

    public boolean contains (Charset cs) {
        return (false);
    }

    private void rot13 (CharBuffer cb) {
        for (int pos = cb.position(); pos < cb.limit(); pos++) {
            char c = cb.get (pos);
            char a = '\u0000';
            if ((c >= 'a') && (c <= 'z')) {
                a = 'a';
            }
            if ((c >= 'A') && (c <= 'Z')) {
                a = 'A';
            }
            if (a != '\u0000') {
                c = (char)((((c - a) + 13) % 26) + a);
                cb.put (pos, c);
            }
        }
    }

    private class Rot13Encoder extends CharsetEncoder {
        private CharsetEncoder baseEncoder;

        Rot13Encoder (Charset cs, CharsetEncoder baseEncoder) {
            super (cs, baseEncoder.averageBytesPerChar(), baseEncoder.maxBytesPerChar());
            this.baseEncoder = baseEncoder;
        }

        protected CoderResult encodeLoop (CharBuffer cb, ByteBuffer bb) {
            CharBuffer tmpcb = CharBuffer.allocate (cb.remaining());
            while (cb.hasRemaining()) {
                tmpcb.put (cb.get());
            }
            tmpcb.rewind();
            rot13 (tmpcb);
            baseEncoder.reset();
            CoderResult cr = baseEncoder.encode (tmpcb, bb, true);
            cb.position (cb.position() - tmpcb.remaining());
            return (cr);
        }
    }

    private class Rot13Decoder extends CharsetDecoder {
        private CharsetDecoder baseDecoder;

        Rot13Decoder (Charset cs, CharsetDecoder baseDecoder) {
            super (cs, baseDecoder.averageCharsPerByte(), baseDecoder.maxCharsPerByte());
            this.baseDecoder = baseDecoder;
        }

        protected CoderResult decodeLoop (ByteBuffer bb, CharBuffer cb) {
            baseDecoder.reset();
            CoderResult result = baseDecoder.decode (bb, cb, true);
            rot13 (cb);
            return (result);
        }
    }

    public static void main (String [] argv) throws Exception {
        BufferedReader in;
        if (argv.length > 0) {
            in = new BufferedReader (new FileReader (argv [0]));
        } else {
            in = new BufferedReader (new InputStreamReader (System.in));
        }
        PrintStream out = new PrintStream (System.out, false, "X-ROT13");
        String s = null;
        while ((s = in.readLine()) != null) {
            out.println (s);
        }
        out.flush();
    }
}

上述代码中， Rot13Charset 类继承自 Charset 类，实现了自定义的字符集。其中：
- rot13 方法用于对 CharBuffer 中的ASCII字母进行旋转操作。
- Rot13Encoder 类继承自 CharsetEncoder ，负责将字符序列编码为字节序列。
- Rot13Decoder 类继承自 CharsetDecoder ，负责将字节序列解码为字符序列。
- main 方法是一个单元测试，用于测试Rot13字符集的编码和解码功能。

1.3 使用自定义字符集

要在Java运行时环境中使用这个自定义字符集及其编码器和解码器，需要使用 CharsetProvider 类。以下是自定义字符集提供者的代码实现：

package com.ronsoft.books.nio.charset;

import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.spi.CharsetProvider;
import java.util.Set;
import java.util.HashSet;
import java.util.Iterator;

public class RonsoftCharsetProvider extends CharsetProvider {
    private static final String CHARSET_NAME = "X-ROT13";
    private Charset rot13 = null;

    public RonsoftCharsetProvider() {
        this.rot13 = new Rot13Charset (CHARSET_NAME, new String [0]);
    }

    public Charset charsetForName (String charsetName) {
        if (charsetName.equalsIgnoreCase (CHARSET_NAME)) {
            return (rot13);
        }
        return (null);
    }

    public Iterator charsets() {
        HashSet set = new HashSet (1);
        set.add (rot13);
        return (set.iterator());
    }
}

为了让JVM运行时环境能够识别这个字符集提供者，需要在类路径下的 META-INF/services/java.nio.charsets.spi.CharsetProvider 文件中添加以下内容：

com.ronsoft.books.nio.charset.RonsoftCharsetProvider

2. Java NIO字符集相关类总结

在JDK 1.4中， java.nio.charset 和 java.nio.charset.spi 包中的类提供了强大而灵活的字符处理机制。以下是几个重要类的总结：
| 类名 | 作用 |
| ---- | ---- |
| Charset 类 | 封装了一个编码字符集以及将该字符集中的字符序列表示为字节序列的编码方案。 |
| CharsetEncoder 类 | 是一个编码引擎，将字符序列转换为字节序列，该字节序列稍后可以解码以恢复原始字符序列。 |
| CharsetDecoder 类 | 是一个解码引擎，将编码的字节序列转换为字符序列。 |
| CharsetProvider SPI | 用于服务提供者机制，以定位并使 Charset 实现可在运行时环境中使用。 |

3. NIO与JNI

在Java编程中，直接缓冲区提供了一种方式，使Java缓冲区对象可以封装系统内存并将其用作后备存储。在JDK 1.4之前，Java端无法使用本地代码分配的内存。而JDK 1.4引入了一些新的JNI函数，改变了这种情况。

3.1 JDK 1.4之前的情况

在JDK 1.4之前，虽然可以通过Java Native Interface (JNI) 调用本地代码，让本地代码请求JVM分配内存，但Java端无法使用本地代码分配的内存，且本地代码访问Java分配的内存存在严重限制，这使得Java和本地代码共享内存空间变得困难。

3.2 JDK 1.4的改进

JDK 1.4引入了三个新的JNI函数：
- NewDirectByteBuffer() ：该函数接受系统内存地址和大小作为参数，构造并返回一个 ByteBuffer 对象，该对象使用该内存区域作为后备存储。这使得本地代码分配的内存可以被纯Java代码使用，并且Java对象具有完整的语义，如边界检查、作用域、垃圾回收等。同时，本地分配的内存不必位于JVM堆内或JVM进程空间内，这使得可以将 ByteBuffer 包装在特殊的内存空间上，如视频内存或设备控制器。
- GetDirectBufferAddress() 和 GetDirectBufferCapacity() ：这两个函数让本地代码可以发现直接字节缓冲区的后备内存的位置和大小。

3.3 使用注意事项

如果计划与本地代码共享直接字节缓冲区，应将缓冲区的字节顺序显式设置为本地字节顺序，以确保更高效地访问底层内存。示例代码如下：

buffer.order (ByteOrder.nativeOrder());

3.4 实际应用案例

OpenGL For Java (GL4Java) 是NIO与JNI接口强大功能的一个典型例子。它使用本地OpenGL库，提供了纯Java的OpenGL API，通过传递缓冲区引用而几乎不涉及缓冲区复制，使得可以用Java编写复杂的实时3D应用程序。例如，Sun创建的JCanyon应用程序，是一个实时交互式F16飞行模拟器，使用了大峡谷的卫星图像作为地形，并且利用了NIO通道和内存映射来预取地形数据，整个应用程序都是用Java编写的，无需系统特定的本地代码。

4. 可选择通道SPI

可选择通道架构是Java平台中可插拔的一部分，通过服务提供者接口 (SPI) 实现。以下是对可选择通道SPI的详细介绍。

4.1 基本概念

可选择通道架构与其他Java平台组件一样，通过SPI实现可插拔性。 java.nio.channels.spi.SelectorProvider 是通道的基础提供者类，该SPI仅适用于可选择通道，而不是所有通道类型。可选择通道与相关的选择器和选择键之间存在紧密的依赖关系，不同提供者的通道和选择器不能一起工作。

4.2 SelectorProvider类

SelectorProvider 类是一个抽象类，其代码如下：

package java.nio.channels.spi;

public abstract class SelectorProvider {
    public static SelectorProvider provider();
    public abstract AbstractSelector openSelector() throws IOException;
    public abstract ServerSocketChannel openServerSocketChannel() throws IOException;
    public abstract SocketChannel openSocketChannel() throws IOException;
    public abstract DatagramChannel openDatagramChannel() throws IOException;
    public abstract Pipe openPipe() throws IOException;
}

SelectorProvider 实例提供了工厂方法，用于创建具体的 Selector 对象、三种类型的套接字通道对象和 Pipe 对象。 provider() 方法是一个类方法，返回默认系统提供者的引用，默认提供者在JVM启动时确定。

4.3 相关抽象类

在 java.nio.channels.spi 包中，还有四个抽象类：
- AbstractInterruptibleChannel ：提供了管理可中断通道的通用框架。
- AbstractSelectableChannel ：为可选择通道提供了类似的支持，所有可选择通道都继承自 AbstractInterruptibleChannel ，因此都是可中断的。
- AbstractSelector ：提供了创建具体选择器实现类的模板。
- AbstractSelectionKey ：提供了创建具体选择键实现类的模板。

创建新的可选择通道实现是一项具有挑战性的任务，需要专业技能和大量资源，通常只有JVM供应商或高端产品供应商才会涉及。

综上所述，Java NIO在字符集处理、与JNI的交互以及可选择通道架构方面提供了强大而灵活的功能，为Java开发者处理复杂的编程场景提供了有力支持。

Java NIO字符集与JNI及可选择通道SPI详解（续）

5. 可选择通道SPI相关类深入分析

5.1 AbstractInterruptibleChannel类

AbstractInterruptibleChannel 类实现了 Channel 和 InterruptibleChannel 接口，为管理可中断通道提供了通用框架。其代码如下：

package java.nio.channels.spi;

public abstract class AbstractInterruptibleChannel implements Channel, InterruptibleChannel {
    protected AbstractInterruptibleChannel() {
    }

    public final void close() throws IOException {
    }

    public final boolean isOpen() {
        return false;
    }

    protected final void begin() {
    }

    protected final void end(boolean completed) {
    }

    protected abstract void implCloseChannel() throws IOException;
}

该类的主要方法及作用如下：
- close() ：用于关闭通道，这是一个最终方法，不允许子类重写。
- isOpen() ：判断通道是否处于打开状态。
- begin() 和 end() ：用于管理通道操作的开始和结束，通常在进行可能被中断的操作时使用。
- implCloseChannel() ：这是一个抽象方法，子类需要实现该方法来完成通道关闭的具体逻辑。

5.2 AbstractSelectableChannel类

AbstractSelectableChannel 类继承自 java.nio.channels.SelectableChannel ，为可选择通道提供了支持。其代码如下：

package java.nio.channels.spi;

public abstract class AbstractSelectableChannel extends java.nio.channels.SelectableChannel {
    protected AbstractSelectableChannel(SelectorProvider provider) {
    }

    public final SelectorProvider provider() {
        return null;
    }

    public final boolean isRegistered() {
        return false;
    }

    public final SelectionKey keyFor(Selector sel) {
        return null;
    }

    public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att) {
        return null;
    }

    public final boolean isBlocking() {
        return false;
    }

    public final Object blockingLock() {
        return null;
    }

    public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block) throws IOException {
        return null;
    }

    protected final void implCloseChannel() throws IOException {
    }

    protected abstract void implCloseSelectableChannel() throws IOException;

    protected abstract void implConfigureBlocking(boolean block) throws IOException;
}

以下是该类主要方法的详细说明：
| 方法名 | 作用 |
| ---- | ---- |
| provider() | 返回该通道的 SelectorProvider 。 |
| isRegistered() | 判断通道是否已注册到选择器。 |
| keyFor(Selector sel) | 返回该通道在指定选择器上的 SelectionKey ，如果未注册则返回 null 。 |
| register(Selector sel, int ops, Object att) | 将通道注册到指定选择器，并指定感兴趣的操作集和附件。 |
| isBlocking() | 判断通道是否处于阻塞模式。 |
| blockingLock() | 返回用于同步通道阻塞模式更改的锁对象。 |
| configureBlocking(boolean block) | 设置通道的阻塞模式。 |
| implCloseChannel() | 关闭通道的通用方法。 |
| implCloseSelectableChannel() | 子类需要实现的关闭可选择通道的具体方法。 |
| implConfigureBlocking(boolean block) | 子类需要实现的设置通道阻塞模式的具体方法。 |

5.3 AbstractSelector类

AbstractSelector 类继承自 Selector ，为创建具体的选择器实现类提供了模板。其代码如下：

package java.nio.channels.spi;

public abstract class AbstractSelector extends Selector {
    protected AbstractSelector(SelectorProvider provider) {
    }

    public final void close() throws IOException {
    }

    public final boolean isOpen() {
        return false;
    }

    public final SelectorProvider provider() {
        return null;
    }

    protected abstract SelectionKey register(AbstractSelectableChannel ch, int ops, Object att);

    protected final void deregister(AbstractSelectionKey key) {
    }

    protected final Set cancelledKeys() {
        return null;
    }

    protected final void begin() {
    }

    protected final void end() {
    }

    protected abstract void implCloseSelector() throws IOException;
}

该类的主要方法及作用如下：
- close() ：关闭选择器。
- isOpen() ：判断选择器是否处于打开状态。
- provider() ：返回选择器的 SelectorProvider 。
- register(AbstractSelectableChannel ch, int ops, Object att) ：将可选择通道注册到选择器，这是一个抽象方法，子类需要实现。
- deregister(AbstractSelectionKey key) ：取消指定 SelectionKey 的注册。
- cancelledKeys() ：返回已取消的 SelectionKey 集合。
- begin() 和 end() ：用于管理选择器操作的开始和结束。
- implCloseSelector() ：子类需要实现的关闭选择器的具体方法。

5.4 AbstractSelectionKey类

AbstractSelectionKey 类继承自 SelectionKey ，为创建具体的选择键实现类提供了模板。其代码如下：

package java.nio.channels.spi;

public abstract class AbstractSelectionKey extends SelectionKey {
    protected AbstractSelectionKey() {
    }

    public final boolean isValid() {
        return false;
    }

    public final void cancel() {
    }
}

该类的主要方法及作用如下：
- isValid() ：判断选择键是否有效。
- cancel() ：取消选择键的注册。

6. 总结与展望

6.1 总结

通过前面的介绍，我们了解到Java NIO在多个方面提供了强大而灵活的功能。在字符集处理方面， java.nio.charset 和 java.nio.charset.spi 包中的类让我们可以轻松处理字符集转码问题，甚至创建自定义字符集。例如，自定义的Rot13字符集及其提供者的实现，展示了如何利用这些类来实现特定的字符编码和解码需求。

在与JNI的交互方面，JDK 1.4引入的新JNI函数使得Java代码可以更好地与本地代码共享内存，提高了程序的性能和灵活性。像OpenGL For Java这样的实际应用案例，充分证明了NIO与JNI结合的强大威力。

在可选择通道架构方面，通过 SelectorProvider 及相关的抽象类，实现了可选择通道的可插拔性。虽然大多数Java开发者可能不会直接涉及可选择通道SPI的开发，但了解这些知识有助于我们更好地理解Java NIO的底层机制。

6.2 展望

随着Java技术的不断发展，NIO可能会在更多领域得到应用。例如，在大数据处理、网络编程等领域，NIO的高性能和灵活性将为开发者提供更好的解决方案。同时，与JNI的结合也可能会进一步优化，使得Java与本地代码的交互更加高效和安全。

对于可选择通道SPI，虽然目前主要由JVM供应商和高端产品供应商使用，但未来可能会有更多的开源项目或中间件采用这种架构，从而降低开发成本，提高系统的可扩展性。

总之，Java NIO为Java开发者提供了丰富的工具和机制，帮助我们应对各种复杂的编程场景。我们应该不断学习和掌握这些知识，以便在实际开发中更好地发挥Java的优势。

以下是一个简单的mermaid流程图，展示了可选择通道的注册和选择过程：

graph LR
    A[创建SelectorProvider] --> B[创建Selector]
    B --> C[创建SelectableChannel]
    C --> D[将Channel注册到Selector]
    D --> E[Selector进行选择操作]
    E --> F{是否有就绪事件}
    F -- 是 --> G[处理就绪事件]
    F -- 否 --> E

希望通过本文的介绍，能让大家对Java NIO的字符集处理、与JNI的交互以及可选择通道架构有更深入的理解，从而在实际开发中更好地运用这些技术。