深入浅出NIO之Channel、Buffer

最新推荐文章于 2022-12-05 16:52:50 发布

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文章标签： python java 运维

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本文详细介绍了Java NIO的核心组件Buffer和Channel的工作原理，以及它们在文件读写操作中的应用。探讨了Buffer的各种操作方法，如mark、reset、clear、flip和rewind，以及不同类型的Buffer实现。同时，分析了Channel的特性，包括其双向性和非阻塞性，以及与传统流的区别。

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前言

Java NIO 由以下几个核心部分组成：

1 、Buffer

2、Channel

3、Selector

传统的IO操作面向数据流，意味着每次从流中读一个或多个字节，直至完成，数据没有被缓存在任何地方。

NIO操作面向缓冲区，数据从Channel读取到Buffer缓冲区，随后在Buffer中处理数据。

本文着重介绍Channel和Buffer的概念以及在文件读写方面的应用和内部实现原理。

Buffer

A buffer is a linear, finite sequence of elements of a specific primitive type.

一块缓存区，内部使用字节数组存储数据，并维护几个特殊变量，实现数据的反复利用。

1、mark：初始值为-1，用于备份当前的position;

2、position：初始值为0，position表示当前可以写入或读取数据的位置，当写入或读取一个数据后，position向前移动到下一个位置；

3、limit：写模式下，limit表示最多能往Buffer里写多少数据，等于capacity值；读模式下，limit表示最多可以读取多少数据。

4、capacity：缓存数组大小

mark()：把当前的position赋值给mark

public final Buffer mark() {
mark = position;
return this;
}

reset()：把mark值还原给position

public final Buffer reset() {
int m = mark;
if (m < 0)
throw new InvalidMarkException();
position = m;
return this;
}

clear()：一旦读完Buffer中的数据，需要让Buffer准备好再次被写入，clear会恢复状态值，但不会擦除数据。

public final Buffer clear() {
position = 0;
limit = capacity;
mark = -1;
return this;
}

flip()：Buffer有两种模式，写模式和读模式，flip后Buffer从写模式变成读模式。

public final Buffer flip() {
limit = position;
position = 0;
mark = -1;
return this;
}

rewind()：重置position为0，从头读写数据。

public final Buffer rewind() {
position = 0;
mark = -1;
return this;
}

目前Buffer的实现类有以下几种：

ByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer
MappedByteBuffer

ByteBuffer

A byte buffer，extend from Buffer

ByteBuffer的实现类包括"HeapByteBuffer"和"DirectByteBuffer"两种。

HeapByteBuffer

public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
if (capacity < 0)
throw new IllegalArgumentException();
return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}
HeapByteBuffer(int cap, int lim) {
super(-1, 0, lim, cap, new byte[cap], 0);
}

HeapByteBuffer通过初始化字节数组hd，在虚拟机堆上申请内存空间。

DirectByteBuffer

public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
return new DirectByteBuffer(capacity);
}
DirectByteBuffer(int cap) {
super(-1, 0, cap, cap);
boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
int ps = Bits.pageSize();
long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
Bits.reserveMemory(size, cap);
long base = 0;
try {
base = unsafe.allocateMemory(size);
} catch (OutOfMemoryError x) {
Bits.unreserveMemory(size, cap);
throw x;
}
unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
if (pa && (base % ps != 0)) {
// Round up to page boundary
address = base + ps - (base & (ps - 1));
} else {
address = base;
}
cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
att = null;
}

DirectByteBuffer通过unsafe.allocateMemory在物理内存中申请地址空间（非jvm堆内存），并在ByteBuffer的address变量中维护指向该内存的地址。 unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0)方法把新申请的内存数据清零。

Channel

A channel represents an open connection to an entity such as a hardware device, a file, a network socket, or a program component that is capable of performing one or more distinct I/O operations, for example reading or writing.

NIO把它支持的I/O对象抽象为Channel，Channel又称“通道”，类似于原I/O中的流（Stream），但有所区别：

1、流是单向的，通道是双向的，可读可写。

2、流读写是阻塞的，通道可以异步读写。

3、流中的数据可以选择性的先读到缓存中，通道的数据总是要先读到一个缓存中，或从缓存中写入，如下所示：

目前已知Channel的实现类有：