JAVA-NIO学习笔记

OS的安全性等的考虑，进程是无法直接操作I/O设备的，其必须通过系统调用请求内核来协助完成I/O动作，而内核会为每个I/O设备维护一个buffer。如下图

流程：用户发送请求→内核接受请求→I/O获取数据到Buffer，将Buffer中的数据copy到用户进程空间中的地址空间，用户得到数据后再返回客户端。

大概了解下I/O的五种模式：

• 阻塞I/O (Blocking I/O)

• 非阻塞I/O (Non-Blocking I/O)

• I/O复用（I/O Multiplexing)

• 信号驱动的I/O (Signal Driven I/O)

• 异步I/O (Asynchrnous I/O) 

在NIO中有几个比较关键的概念：Channel（通道），Buffer（缓冲区），Selector（选择器）。

（1）Channel（通道），在传统IO中我们要读取一个文件中的内容时InputStream实际上就是为读取文件提供了一个通道，因此可以将NIO 中的Channel同传统IO中的Stream来类比。但是要注意的是，传统IO中的Stream是单向的，比如InputStream只能进行读取操作，OutputStream只能进行写操作；而Channel是双向的，既可用来进行读操作又可用来进行写操作。

以下是常用的几种通道，以及使用第一种写文件的例子。

 co

FileChannel //可以从对文件进行读写数据  
SocketChanel //以TCP向网络连接的两端读写数据  
DatagramChannel //以UDP协议向网络连接的两端读写数据  
ServerSocketChannel //监听客户端发起的TCP连接，并为每个连接创建新的SocketChannel来进行数据读写  

File file = new File("C:/test.txt");  
FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(file);  
FileChannel channel = outputStream.getChannel();  
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
String string = "NIO";  
buffer.put(string.getBytes());  
buffer.flip();   
channel.write(buffer);  

（2）Buffer（缓冲区），实际上是一个容器，是一个连续数组，在NIO中所有数据的读和写都必须经由Buffer。

 在NIO中，Buffer是一个顶层父类，它是一个抽象类。

常用的Buffer的子类有：ByteBuffer、IntBuffer、CharBuffer、LongBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、ShortBuffer。

如果是对于文件读写，上面几种Buffer都可能会用到。但是对于网络读写来说，用的最多的是ByteBuffer。

缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

Buffer的基本用法

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤：

1. 写入数据到Buffer
2. 调用flip()方法
3. 从Buffer中读取数据
4. 调用clear()方法或者compact()方法

当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到buffer的所有数据。

一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用clear()或compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

下面是一个使用Buffer的例子：

//读写文件
RandomAccessFile afile = new RandomAccessFile("D:\\1.txt","rw");
//获取文件管道
FileChannel fileChannel= afile.getChannel();
//获取一个Buffer对象，分配48字节的容量
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
//向Buffer写入数据，从channel写到Buffer
int bytesRead = fileChannel.read(buf);
while (bytesRead != -1){
    System.out.println("Read"+bytesRead);
    //将Buffer从写切换为读
    buf.flip();

while (buf.hasRemaining()){
    //把从Buffer中读出Channel
    System.out.print(((char) buf.get()));
}
buf.clear();
bytesRead = fileChannel.read(buf);
}
afile.close();

Buffer缓冲区有三个属性

• capacity容量
• position位置
• limit上限

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式，capacity的含义总是一样的。

这里有一个关于capacity，position和limit在读写模式中的说明，详细的解释在插图后面。

capacity

作为一个内存块，Buffer有一个固定的大小值，也叫“capacity”.你只能往里写capacity个byte、long，char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清除数据）才能继续写数据往里写数据。

position

当你写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。初始的position值为0.当一个byte、long等数据写到Buffer后， position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity – 1.

当读取数据时，也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0. 当从Buffer的position处读取数据时，position向前移动到下一个可读的位置。

limit

在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。 写模式下，limit等于Buffer的capacity。

当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据。因此，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值。换句话说，你能读到之前写入的所有数据（limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position）

Buffer的类型

Java NIO 有以下Buffer类型

• ByteBuffer
• MappedByteBuffer
• CharBuffer
• DoubleBuffer
• FloatBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• ShortBuffer

方法：

rewind()方法

Buffer.rewind()将position设回0，所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变，仍然表示能从Buffer中读取多少个元素（byte、char等）。

clear()与compact()方法

重设缓冲区

一旦读完Buffer中的数据，需要让Buffer准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成。

如果调用的是clear()方法，position将被设回0，limit被设置成 capacity的值。换句话说，Buffer 被清空了。Buffer中的数据并未清除，只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。

如果Buffer中有一些未读的数据，调用clear()方法，数据将“被遗忘”，意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过，哪些还没有。

如果Buffer中仍有未读的数据，且后续还需要这些数据，但是此时想要先先写些数据，那么使用compact()方法。

compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样，设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了，但是不会覆盖未读的数据。

mark()与reset()方法

通过调用Buffer.mark()方法，可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。例如：

buffer.mark();
//call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.
buffer.reset();  //set position back to mark.

flip()方法

flip方法将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0，并将limit设置成之前position的值。

换句话说，position现在用于标记读的位置，limit表示之前写进了多少个byte、char等 —— 现在能读取多少个byte、char等。

equals()与compareTo()方法

可以使用equals()和compareTo()方法两个Buffer。

equals()

当满足下列条件时，表示两个Buffer相等：

1. 有相同的类型（byte、char、int等）。
2. Buffer中剩余的byte、char等的个数相等。
3. Buffer中所有剩余的byte、char等都相同。

如你所见，equals只是比较Buffer的一部分，不是每一个在它里面的元素都比较。实际上，它只比较Buffer中的剩余元素。

compareTo()方法

compareTo()方法比较两个Buffer的剩余元素(byte、char等)， 如果满足下列条件，则认为一个Buffer“小于”另一个Buffer：

1. 第一个不相等的元素小于另一个Buffer中对应的元素 。
2. 所有元素都相等，但第一个Buffer比另一个先耗尽(第一个Buffer的元素个数比另一个少)。

write()和read() 方法的调用得到的极大的简化，许多细节的工作都能在缓冲区完成，flip()用于切换成读写，clear()切换成写。

//读写文件
RandomAccessFile afile = new RandomAccessFile("D:\\1.txt","rw");
//获取文件管道
FileChannel fileChannel= afile.getChannel();
//获取一个Buffer对象，分配48字节的容量
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
//向Buffer写入数据，从channel写到Buffer
int bytesRead = fileChannel.read(buf);
while (bytesRead != -1){
    System.out.println("Read"+bytesRead);
    //将Buffer从写切换为读
    buf.flip();

while (buf.hasRemaining()){
    //把从Buffer中读出Channel
    System.out.print(((char) buf.get()));
}
buf.clear();
bytesRead = fileChannel.read(buf);
}
afile.close();

（3）Selector，可以理解为通道管理器，用单线程处理一个Selector以轮询每个注册的Channel，通过Selector.select()方法来获取到达事件（一个SelectionKey表示一个到达的事件），一旦发现Channel有注册的事件发生，便可以逐个地对这些事件进行处理。

比如，某时刻客户端给服务端发送了一些数据，阻塞I/O会调用read()阻塞地读取数据，而NIO的服务端会在Selector中添加一个读事件，服务端的处理线程会轮询地访问Selector，如果访问Selector时有读事件到达，则处理该事件，如果没有则处理线程会一直阻塞直到读事件到达。

为什么使用Selector?

仅用单个线程来处理多个Channels的好处是，只需要更少的线程来处理通道。事实上，可以只用一个线程处理所有的通道。对于操作系统来说，线程之间上下文切换的开销很大，而且每个线程都要占用系统的一些资源（如内存）。因此，使用的线程越少越好。但是，需要记住，现代的操作系统和CPU在多任务方面表现的越来越好，所以多线程的开销随着时间的推移，变得越来越小了。实际上，如果一个CPU有多个内核，不使用多任务可能是在浪费CPU能力。