【IO与NIO】详解

1 java NIO简介

Java NIO（New IO）是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，可以替代标准的Java IO API。NIO与原来的IO有同样的作用和目的，但是使用的方式完全不同，NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。

2 javaNIO与IO的主要区别

IO	NIO
面向流	面向缓冲区
阻塞IO	非阻塞IO
无	选择器
流为单向传输	缓冲区双向传输

IO：

NIO：

3 通道和缓冲区

Java NIO系统的核心在于：通道(Channel)和缓冲区(Buffer)。通道表示打开到 IO 设备(例如：文件、套接字)的连接。若需要使用 NIO 系统，需要获取用于连接 IO 设备的通道以及用于容纳数据的缓冲区。然后操作缓冲区，对数据进行处理。
简而言之，Channel 负责传输， Buffer

4 缓冲区（Buffer）

1. 缓冲区（Buffer）：一个用于特定基本数据类型的容器（数组），由java.nio包定义的，所有缓冲区都是Buffer抽象类的子类。根据数据类型不同（除了boolean外），提供了相应类型的缓冲区（ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer）上述缓冲区的管理方式几乎一致，通过allocate()获取缓冲区：

static XxxBuffer allocate(int capacity) : 创建一个容量为capacity 的 XxxBuffer 对象

2. Java NIO 中的 Buffer 主要用于与 NIO 通道进行交互，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入通道中的。

5 缓冲区的基本属性

1. Buffer中的重要概念：

容量 (capacity)：表示 Buffer 最大数据容量，缓冲区容量不能为负，并且创建后不能更改。
限制 (limit)：第一个不应该读取或写入的数据的索引，即位于 limit 后的数据不可读写。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于其容量。
位置 (position)：下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为负，并且不能大于其限制。
标记 (mark)与重置(reset)：标记是一个索引，通过 Buffer 中的 mark() 方法指定 Buffer 中一个特定的 position，之后可以通过调用 reset() 方法恢复到这个 position.
标记 、 位置 、 限制 、 容量遵守以下不变式： 0 <= mark <= position <= limit <= capacity

2. 缓冲区各属性示例

3. Buffer的常用方法：

方法	描述
Buffer clear()	清空缓冲区并返回对缓冲区的引用
Buffer flip()	将缓冲区的界限设置为当前位置，并将当前位置重置为0
int capacity()	返回 Buffer 的 capacity 大小
boolean hasRemaining()	判断缓冲区中是否还有元素
int limit()	返回 Buffer 的界限(limit) 的位置
Buffer limit(int n)	将设置缓冲区界限为 n, 并返回一个具有新 limit 的缓冲区对象
Buffer mark()	对缓冲区设置标记
int position()	返回缓冲区的当前位置 position
Buffer position(int n)	将设置缓冲区的当前位置为 n , 并返回修改后的 Buffer 对象
int remaining()	返回 position 和 limit 之间的元素个数
Buffer reset()	将位置 position 转到以前设置的 mark 所在的位置
Buffer rewind()	将位置设为为 0， 取消设置的 mark

4. 缓冲区的数据操作

Buffer 所有子类提供了两个用于数据操作的方法：get()与 put() 方法

5. 获取Buffer中的数据：

get() ：读取单个字节
get(byte[] dst)：批量读取多个字节到 dst 中
get(int index)：读取指定索引位置的字节(不会移动 position)

6. 放入数据到Buffer中：

put(byte b)：将给定单个字节写入缓冲区的当前位置
put(byte[] src)：将 src 中的字节写入缓冲区的当前位置
put(int index, byte b)：将指定字节写入缓冲区的索引位置(不会移动position)

7. 直接与非直接缓冲区

（1）字节缓冲区要么是直接的，要么是非直接的。如果为直接字节缓冲区，则java虚拟机会尽最大努力直接在此缓冲区上执行本机I/O操作。也就是说，在每次调用基础操作系统的一个本机I/O操作之前（或之后），虚拟机都会尽量避免将缓冲区的内容复制到中间缓冲区中（或从中间缓冲区中复制内容）
（2）直接字节缓冲区可以通过调用此类的allocateDirect()工厂方法来创建。此方法返回的缓冲区进行分配和取消分配所需成本通常高于非直接缓冲区。直接缓冲区的内容可以驻留在常规的垃圾回收堆之外，因此，它们对应用程序的内存需求量造成的影响可能并不明显。所以，建议将直接缓冲区主要分配给那些易受基础系统的本机I/O操作影响的大型、持久的缓冲区。一般情况下，最好仅在直接缓冲区能在程序性能方面带来明显好处时分配他们。
（3）直接字节缓冲区还可以过 通过FileChannel的map()方法将文件区域直接映射到内存中来创建 。该方法返回MappedByteBuffer。Java平台的实现有助于通过 JNI从本机代码创建直接字节缓冲区。如果以上这些缓冲区中的某个缓冲区实例指的是不可访问的内存区域，则试图访问该区域不会更改该缓冲区的内容，并且将会在访问期间或稍后的某个时间导致抛出不确定的异常。
（4）字节缓冲区是直接缓冲区还是非直接缓冲区可通过调用其 isDirect()方法来确定。提供此方法是为了能够在性能关键型代码中执行显式缓冲区管理 。

8. 直接缓冲区与非直接缓冲区的优缺点：

（1）直接缓冲区数据传输慢，但是耗费资源低
（2）非直接缓冲区数据传输快，但是耗费资源高，且当数据写入到操作系统物理内存中之后，什么时候往磁盘内存储完全由操作系统决定。
（3）图例

9. 代码示例

package com.atguigu.nio;

import java.nio.ByteBuffer;

import org.junit.Test;

/*
 * 一、缓冲区（Buffer）：在 Java NIO 中负责数据的存取。缓冲区就是数组。用于存储不同数据类型的数据
 * 
 * 根据数据类型不同（boolean 除外），提供了相应类型的缓冲区：
 * ByteBuffer
 * CharBuffer
 * ShortBuffer
 * IntBuffer
 * LongBuffer
 * FloatBuffer
 * DoubleBuffer
 * 
 * 上述缓冲区的管理方式几乎一致，通过 allocate() 获取缓冲区
 * 
 * 二、缓冲区存取数据的两个核心方法：
 * put() : 存入数据到缓冲区中
 * get() : 获取缓冲区中的数据
 * 
 * 三、缓冲区中的四个核心属性：
 * capacity : 容量，表示缓冲区中最大存储数据的容量。一旦声明不能改变。
 * limit : 界限，表示缓冲区中可以操作数据的大小。（limit 后数据不能进行读写）
 * position : 位置，表示缓冲区中正在操作数据的位置。
 * 
 * mark : 标记，表示记录当前 position 的位置。可以通过 reset() 恢复到 mark 的位置
 * 
 * 0 <= mark <= position <= limit <= capacity
 * 
 * 四、直接缓冲区与非直接缓冲区：
 * 非直接缓冲区：通过 allocate() 方法分配缓冲区，将缓冲区建立在 JVM 的内存中
 * 直接缓冲区：通过 allocateDirect() 方法分配直接缓冲区，将缓冲区建立在物理内存中。可以提高效率
 */
public class TestBuffer {
   

	@Test
	public void test3(){
   
		//分配直接缓冲区
		ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

		System.out.println(buf.isDirect());//true
	}

	@Test
	public void test2(){
   
		String str = "abcde";

		ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

		buf.put(str.getBytes());

		buf.flip();

		byte[] dst = new byte[buf.limit()];
		buf.get(dst, 0, 2);
		System.out.println(new String(dst, 0, 2));//ab
		System.out.println(buf.position());//2

		//mark() : 标记
		buf.mark();

		buf.get(dst, 2, 2);
		System.out.println(new String(dst, 2, 2));//cd
		System.out.println(buf.position());//4

		//reset() : 恢复到 mark 的位置
		buf.reset();
		System.out.println(buf.position());//2

		//判断缓冲区中是否还有剩余数据
		if(buf.hasRemaining()){
   

			//获取缓冲区中可以操作的数量
			System.out.println(buf.remaining());//3
		}
	}

	@Test
	public void test1(){
   
		String str = "abcde";

		//1. 分配一个指定大小的缓冲区
		ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

		System.out.println("-----------------allocate()----------------");
		System.out.println(buf.position());//0	
System.out.println(buf.limit());//1024
		System.out.println(buf.capacity());//1024

		//2. 利用 put() 存入数据到缓冲区中
		buf.put(str.getBytes());

		System.out.println("-----------------put()----------------");
		System.out.println(buf.position());//5
		System.out.println(buf.limit());//1024
		System.out.println(buf.capacity());//1024

		//3. 切换读取数据模式
		buf.flip();

		System.out.println("-----------------flip()----------------");
		System.out.println(buf.position());//0
		System.out.println(buf.limit());//5
		System.out.println(buf.capacity());//1024

		//4. 利用 get() 读取缓冲区中的数据
		byte[] dst = new byte[buf.limit()];
		buf.get(dst);
		System.out.println(new String(dst, 0, dst.length));//abcde

		System.out.println("-----------------get()----------------");
		System.out.println(buf.position());//5
		System.out.println(buf.limit());//5
		System.out.println(buf.capacity());//1024

		//5. rewind() : 可重复读
		buf.rewind();

		System.out.println("-----------------rewind()----------------");
		System.out.println(buf.