Nio总结之Channel与Buffer

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转载最新推荐文章于 2026-05-13 05:23:07 发布 1.1k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

【NIO实战】深入理解NIO三大组件：buffer、channel、selector 根据IO模型，可以把IO分为下面三种BIOBIO(Blocking IO)是最传统的一种IO模型，BIO在读/写数据如果没有可以读取/写入时会发生阻塞。BIO 读写是面向流的，一次性只能从流中读取一个或者多个字节，并且读完之后流无法再读取，需要我们自己讲数据缓存起来，BIO位于java.io包中。NIONIO(New IO)采用非阻塞模式，它是基于Reactor模式，IO调用不会被阻塞，它是NIO位于java.nio包中。AIO。阅读详情

java nio 三大基本组件Channel、Buffer、Selector，三大组件的关系，channel下面是buffer。

在java nio中，我们是面向块(block)或是缓冲区（buffer）编程的。buffer本身就是一块内存，底层实现上，它实际上是个数组。数据的读、写都通过buffer来实现的。

channel是通道的含义，数据不可以直接在channel处理，必须把数据读取到缓冲区Buffer.

从通道读取数据到缓冲区，从缓冲区写入数据到通道。如下图所示：

channel与普通io stream的区别

既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道。但流的读写通常是单向的。
通道可以异步地读写。
通道中的数据总是要先读到一个Buffer，或者总是要从一个Buffer中写入。
Channel的实现

这些是Java NIO中最重要的通道的实现：
- FileChannel
- DatagramChannel
- SocketChannel
- ServerSocketChannel
FileChannel 从文件中读写数据。

DatagramChannel 能通过UDP读写网络中的数据。

SocketChannel 能通过TCP读写网络中的数据。

ServerSocketChannel可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。
```
 public static void main(String[] args) throws Exception {
        FileInputStream fileInputStream =new FileInputStream("NioTest.txt");
        FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(512);
        fileChannel.read(byteBuffer);
        byteBuffer.flip();
        while (byteBuffer.remaining() > 0) {
            byte b = byteBuffer.get();
            System.out.println("Charater" + (char)b);
        }
        fileInputStream.close();
    }
}
```
Buffer

Buffer的类型

Java NIO 有以下Buffer类型
- ByteBuffer
- MappedByteBuffer
- CharBuffer
- DoubleBuffer
- FloatBuffer
- IntBuffer
- LongBuffer
- ShortBuffer
如你所见，这些Buffer类型代表了不同的数据类型。换句话说，就是可以通过char，short，int，long，float 或 double类型来操作缓冲区中的字节。
MappedByteBuffer 有些特别，在涉及它的专门章节中再讲。

Buffer的capacity,position和limit

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。

为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三个属性：
- capacity
- position
- limit
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。

例子
```
RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

//create buffer with capacity of 48 bytes
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.
while (bytesRead != -1) {

  buf.flip();  //make buffer ready for read

  while(buf.hasRemaining()){
      System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time
  }

  buf.clear(); //make buffer ready for writing
  bytesRead = inChannel.read(buf);
}
aFile.close();
```
Buffer的分配

要想获得一个Buffer对象首先要进行分配。每一个Buffer类都有一个allocate方法。下面是一个分配48字节capacity的ByteBuffer的例子。
```
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
```
这是分配一个可存储1024个字符的CharBuffer：
```
CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);
```
ByteBuffer是虚拟类不能是直接new出来，通过allocate方式来new出 public static ByteBuffer allocate(int capacity) { if (capacity < 0) throw new IllegalArgumentException(); return new HeapByteBuffer(capacity, capacity); } HeapByteBuffer是ByteBuffer的子类
向Buffer中写数据

写数据到Buffer有两种方式：
- 从Channel写到Buffer。
- 通过Buffer的put()方法写到Buffer里。
从Channel写到Buffer的例子
```
int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.
```
通过put方法写Buffer的例子：
```
buf.put(127);
```
put方法有很多版本，允许你以不同的方式把数据写入到Buffer中。例如，写到一个指定的位置，或者把一个字节数组写入到Buffer。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

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。

从Buffer中读取数据

从Buffer中读取数据有两种方式：
1. 从Buffer读取数据到Channel。
2. 使用get()方法从Buffer中读取数据。
从Buffer读取数据到Channel的例子：
```
//read from buffer into channel.
int bytesWritten = inChannel.write(buf);
```
使用get()方法从Buffer中读取数据的例子
```
byte aByte = buf.get();
```
get方法有很多版本，允许你以不同的方式从Buffer中读取数据。例如，从指定position读取，或者从Buffer中读取数据到字节数组。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

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

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.
```
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)。
（译注：剩余元素是从 position到limit之间的元素）

转自http://ifeve.com/buffers/

文件io通道操作
```
 public static void main(String[] args) throws Exception {
        FileInputStream inputStream = new FileInputStream("input.txt");
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("output.txt");

        FileChannel inputChannel = inputStream.getChannel();
        FileChannel outputChannel = outputStream.getChannel();
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
        while (true) {
//            byteBuffer.clear(); //如果注释掉该行会发生什么情况？
            int read = inputChannel.read(byteBuffer);
            System.out.println("read:" + read);
            if (-1 == read) {
                break;
            }
            byteBuffer.flip();
            outputChannel.write(byteBuffer);
        }
        inputChannel.close();
        outputChannel.close();
    }
```
buffer的多种put，与get类型顺序要一致

slice buffer与原有buffer共享底层数组

只读buffer

只读buffer，我们可以随时将一个普通的buffer调用asReadOnlyBuffer方法返回一个只读buffer

但是不能将一个只读buffer转换为读写buffer

wrap方法

通过包装一个已有的数组来创建
    如下,通过包装的方法创建的缓冲区保留了被包装数组内保存的数据.
    ByteBuffer buffer=ByteBuffer.wrap(byteArray);

    如果要将一个字符串存入ByteBuffer,可以如下操作:
    String sendString="你好,服务器. ";
    ByteBuffer sendBuffer=ByteBuffer.wrap(sendString.getBytes("UTF-16"));

http://blog.youkuaiyun.com/zhoujiaxq/article/details/22822289

allocateDirect

address为堆外内存地址
```
 DirectByteBuffer(int cap) {                   // package-private

        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;

    }
```
MappedByteBuffer

为什么快？因为它使用direct buffer的方式读写文件内容，这种方式的学名叫做内存映射。这种方式直接调用系统底层的缓存，没有JVM和系统之间的复制操作，所以效率大大的提高了。而且由于它这么快，还可以用它来在进程（或线程）间传递消息，基本上能达到和“共享内存页”相同的作用，只不过它是依托实体文件来运行的。

而且它还有另一种能力。就是它可以让我们读写那些因为太大而不能放进内存中的文件。有了它，我们就可以假定整个文件都放在内存中（实际上，大文件放在内存和虚拟内存中），基本上都可以将它当作一个特别大的数组来访问，这样极大的简化了对于大文件的修改等操作。

下面我们开始介绍它的用法了

FileChannel提供了map方法来把文件映射为MappedByteBuffer： MappedByteBuffer map(int mode,long position,long size); 可以把文件的从position开始的size大小的区域映射为MappedByteBuffer，mode指出了可访问该内存映像文件的方式，共有三种，分别为：
MapMode.READ_ONLY（只读）：试图修改得到的缓冲区将导致抛出 ReadOnlyBufferException。
MapMode.READ_WRITE（读/写）：对得到的缓冲区的更改最终将写入文件；但该更改对映射到同一文件的其他程序不一定是可见的（无处不在的“一致性问题”又出现了）。
MapMode.PRIVATE（专用）：可读可写,但是修改的内容不会写入文件,只是buffer自身的改变，这种能力称之为”copy on write”

再简单的说一下，MappedByteBuffer较之ByteBuffer新增的三个方法
- force()缓冲区是READ_WRITE模式下，此方法对缓冲区内容的修改强行写入文件
- load()将缓冲区的内容载入内存，并返回该缓冲区的引用
- isLoaded()如果缓冲区的内容在物理内存中，则返回真，否则返回假
http://blog.youkuaiyun.com/z69183787/article/details/53695590

http://www.cnblogs.com/guweiwei/p/6529384.html

Scattering与Gathering

Java NIO开始支持scatter/gather，scatter/gather用于描述从Channel（译者注：Channel在中文经常翻译为通道）中读取或者写入到Channel的操作。
分散（scatter）从Channel中读取是指在读操作时将读取的数据写入多个buffer中。因此，Channel将从Channel中读取的数据“分散（scatter）”到多个Buffer中。
聚集（gather）写入Channel是指在写操作时将多个buffer的数据写入同一个Channel，因此，Channel 将多个Buffer中的数据“聚集（gather）”后发送到Channel。

scatter / gather经常用于需要将传输的数据分开处理的场合，例如传输一个由消息头和消息体组成的消息，你可能会将消息体和消息头分散到不同的buffer中，这样你可以方便的处理消息头和消息体。

Scattering Reads
Scattering Reads是指数据从一个channel读取到多个buffer中。如下图描述：

Java NIO: Scattering Read

代码示例如下：

1 ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);

2 ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(1024);

3

4 ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };

5

6 channel.read(bufferArray);

注意buffer首先被插入到数组，然后再将数组作为channel.read() 的输入参数。read()方法按照buffer在数组中的顺序将从channel中读取的数据写入到buffer，当一个buffer被写满后，channel紧接着向另一个buffer中写。

Scattering Reads在移动下一个buffer前，必须填满当前的buffer，这也意味着它不适用于动态消息(译者注：消息大小不固定)。换句话说，如果存在消息头和消息体，消息头必须完成填充（例如 128byte），Scattering Reads才能正常工作。

Gathering Writes

Gathering Writes是指数据从多个buffer写入到同一个channel。如下图描述：

Java NIO: Gathering Write

代码示例如下：

1 ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);

2 ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(1024);

3

4 //write data into buffers

5

6 ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };

7

8 channel.write(bufferArray);

buffers数组是write()方法的入参，write()方法会按照buffer在数组中的顺序，将数据写入到channel，注意只有position和limit之间的数据才会被写入。因此，如果一个buffer的容量为128byte，但是仅仅包含58byte的数据，那么这58byte的数据将被写入到channel中。因此与Scattering Reads相反，Gathering Writes能较好的处理动态消息。
http://ifeve.com/java-nio-scattergather/
http://blog.youkuaiyun.com/jackie03/article/details/7361155