Java NIO：Buffer、Channel 和 Selector

時間  2019-12-10
標籤 java nio buffer channel selector 欄目 Java 简体版
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Buffer

一個 Buffer 本質上是內存中的一塊，咱們能夠將數據寫入這塊內存，以後從這塊內存獲取數據。java

java.nio 定義瞭如下幾個 Buffer 的實現，這個圖讀者應該也在很多地方見過了吧。數組

其實核心是最後的 ByteBuffer，前面的一大串類只是包裝了一下它而已，咱們使用最多的一般也是 ByteBuffer。網絡

咱們應該將 Buffer 理解爲一個數組，IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分別對應 int[]、char[]、double[] 等。app

MappedByteBuffer 用於實現內存映射文件，也不是本文關注的重點。dom

我以爲操做 Buffer 和操做數組、類集差很少，只不過大部分時候咱們都把它放到了 NIO 的場景裏面來使用而已。下面介紹 Buffer 中的幾個重要屬性和幾個重要方法。socket

position、limit、capacity

就像數組有數組容量，每次訪問元素要指定下標，Buffer 中也有幾個重要屬性：position、limit、capacity。this

 

最好理解的固然是 capacity，它表明這個緩衝區的容量，一旦設定就不能夠更改。好比 capacity 爲 1024 的 IntBuffer，表明其一次能夠存放 1024 個 int 類型的值。一旦 Buffer 的容量達到 capacity，須要清空 Buffer，才能從新寫入值。spa

position 和 limit 是變化的，咱們分別看下讀和寫操做下，它們是如何變化的。線程

position 的初始值是 0，每往 Buffer 中寫入一個值，position 就自動加 1，表明下一次的寫入位置。讀操做的時候也是相似的，每讀一個值，position 就自動加 1。翻譯

從寫操做模式到讀操做模式切換的時候（flip），position 都會歸零，這樣就能夠從頭開始讀寫了。

limit：寫操做模式下，limit 表明的是最大能寫入的數據，這個時候 limit 等於 capacity。寫結束後，切換到讀模式，此時的 limit 等於 Buffer 中實際的數據大小，由於 Buffer 不必定被寫滿了。

初始化 Buffer

每一個 Buffer 實現類都提供了一個靜態方法 allocate(int capacity) 幫助咱們快速實例化一個 Buffer。如：

ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
IntBuffer intBuf = IntBuffer.allocate(1024);
LongBuffer longBuf = LongBuffer.allocate(1024);

另外，咱們常用 wrap 方法來初始化一個 Buffer。

public static ByteBuffer wrap(byte[] array) {
    ...
}

　

填充 Buffer

各個 Buffer 類都提供了一些 put 方法用於將數據填充到 Buffer 中，如 ByteBuffer 中的幾個 put 方法：

// 填充一個 byte 值
public abstract ByteBuffer put(byte b);
// 在指定位置填充一個 int 值
public abstract ByteBuffer put(int index, byte b);
// 將一個數組中的值填充進去
public final ByteBuffer put(byte[] src) {...}
public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length) {...}

上述這些方法須要本身控制 Buffer 大小，不能超過 capacity，超過會java.nio.BufferOverflowException 異常。　　

對於 Buffer 來講，另外一個常見的操做中就是，咱們要未來自 Channel 的數據填充到 Buffer 中，在系統層面上，這個操做咱們稱爲讀操做，由於數據是從外部（文件或網絡等）讀到內存中。

int num = channel.read(buf);

上述方法會返回從 Channel 中讀入到 Buffer 的數據大小。

提取 Buffer 中的值

前面介紹了寫操做，每寫入一個值，position 的值都須要加 1，因此 position 最後會指向最後一次寫入的位置的後面一個，若是 Buffer 寫滿了，那麼 position 等於 capacity（position 從 0 開始）。

若是要讀 Buffer 中的值，須要切換模式，從寫入模式切換到讀出模式。注意，一般在說 NIO 的讀操做的時候，咱們說的是從 Channel 中讀數據到 Buffer 中，對應的是對 Buffer 的寫入操做，初學者須要理清楚這個。

調用Buffer的flip()方法，能夠從寫模式切換到讀模式，其實就是從新設置了一下position和limit的值。

public final Buffer flip() {
    limit = position; // 將 limit 設置爲實際寫入的數據數量
    position = 0; // 重置 position 爲 0
    mark = -1; // mark 以後再說
    return this;
}

對應寫操做的一系列put方法，讀操做提供了一系列的get()方法：

// 根據 position 來獲取數據
public abstract byte get();
// 獲取指定位置的數據
public abstract byte get(int index);
// 將 Buffer 中的數據寫入到數組中
public ByteBuffer get(byte[] dst)

附一個常用的方法：

new String(buffer.array()).trim();

除了將數據從Buffer讀取出來使用，更常見的操做是將寫入的數據輸出到Channel中，如經過FileChannel將數據寫入到文件中，經過SocketChannel將數據寫入到網絡發送到遠程機器等。對應的，這種操做，咱們稱之爲寫操做。

int num = channel.write(buf);

 

mark()、reset()

除了position、limit、capacity這三個基本屬性外，還有一個經常使用的屬性就是mark。

mark用於臨時保存position的值，每次調用mark()方法都會將mark設置爲當前的position，便於後學須要的時候使用。

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

那到底何時用呢？考慮如下場景，咱們在 position 爲 5 的時候，先 mark() 一下，而後繼續往下讀，讀到第 10 的時候，我想從新回到 position 爲 5 的地方從新來一遍，那隻要調一下 reset() 方法，position 就回到 5 了。

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

 

rewind()、clear()、compact()

rewind()：會重置position爲0，一般用於從頭讀寫Buffer。

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

　clear()：至關於從新實例化。

一般，咱們會先填充Buffer，而後從Buffer讀取數據，以後再從新往裏填充新的數據，咱們通常在填充以前先調用clear().

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

compact()：和clear()同樣的是都是在準備往Buffer中填充新數據以前調用。

clear()會重置幾個屬性，可是並不會將Buffer中的數據清空，只不事後面寫的時候會覆蓋以前的數據。

而compact()方法調用以後，會先處理尚未讀取的數據，也就是position到limit直接的數據，先將這些數據都移動到左邊，而後在這個基礎之上再開始寫入。此時,limit仍是等於capacity,position指向原來數據的右邊。

 

Channel

全部的 NIO 操做始於通道，通道是數據來源或數據寫入的目的地，主要地，咱們將關心 java.nio 包中實現的如下幾個 Channel：

 

FileChannel：文件通道，用於文件的讀和寫。

DatagramChannel：用於UDP鏈接的接收和發送

SocketChannel：TCP客戶端

ServerSocketChannel:TCP服務端，監聽某個端口進來的請求。

Channel 常常翻譯爲通道，相似 IO 中的流，用於讀取和寫入。它與前面介紹的 Buffer 打交道，讀操做的時候將 Channel 中的數據填充到 Buffer 中，而寫操做時將 Buffer 中的數據寫入到 Channel 中。

 

 

 

FileChannel

 

初始化：

FileInputStream inputStream = new FileInputStream(new File("/data.txt"));
FileChannel fileChannel = inputStream.getChannel();　　

固然了，也能夠從RandomAccessFile類中的getChannel來獲得FileChannel。

讀取文件內容：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

int num = fileChannel.read(buffer);

寫入文件內容：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("隨機寫入一些內容到 Buffer 中".getBytes());
// Buffer 切換爲讀模式
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()) {
    // 將 Buffer 中的內容寫入文件
    fileChannel.write(buffer);
}

 

SocketChannel

打開一個TCP連接：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel
　　.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 80));

固然了，上面的這行代碼等價於下面的兩行：

// 打開一個通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 發起鏈接
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 80));

SocketChannel 的讀寫和 FileChannel 沒什麼區別，就是操做緩衝區。

// 讀取數據
socketChannel.read(buffer);

// 寫入數據到網絡鏈接中
while(buffer.hasRemaining()) {
    socketChannel.write(buffer);   
}

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 用於監聽機器端口，管理從這個端口進來的 TCP 鏈接。

// 實例化
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 監聽 8080 端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));

while (true) {
    // 一旦有一個 TCP 鏈接進來，就對應建立一個 SocketChannel 進行處理
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}

 

這裏咱們看到了SocketChannel的第二個實例化方式。

到這裏，咱們應該能理解SocketChannel了，它不只僅是TCP客戶端，它表明的是一個網絡通道，可讀可寫。

ServerSocketChannel不和Buffer打交道了，由於它並不實際處理數據，一旦接到請求，就會實例化一個SocketChannel，以後再這個簡介通道上傳遞的數據它就無論了，它會繼續監聽端口等待下一個鏈接。

DatagramChannel

UDP 和 TCP 不同，DatagramChannel 一個類處理了服務端和客戶端。

UDP 是面向無鏈接的，不須要和對方握手，不須要通知對方，就能夠直接將數據包投出去，至於能不能送達，它是不知道的.

監聽端口：

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

channel.receive(buf);

發送數據：

String newData = "New String to write to file..."
                    + System.currentTimeMillis();

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();

int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));

 

Selector

Selector創建在非阻塞的基礎之上，你們常常聽到的多路複用在java世界中指的就是它，用於實現一個線程管理多個Channel。

開啓Selector:

Selector selector = Selector.open();

將 Channel 註冊到 Selector 上。前面咱們說了，Selector 創建在非阻塞模式之上，因此註冊到 Selector 的 Channel 必需要支持非阻塞模式，FileChannel 不支持非阻塞，咱們這裏討論最多見的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。

// 將通道設置爲非阻塞模式，由於默認都是阻塞模式的
channel.configureBlocking(false);
// 註冊
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

 

register 方法的第二個 int 型參數（使用二進制的標記位）用於代表須要監聽哪些感興趣的事件，共如下四種事件：

SelectionKey.OP_READ:對應 00000001，通道中有數據能夠進行讀取

SelectionKey.OP_WRITE:對應 00000100，能夠往通道中寫入數據

SelectionKey.OP_CONNECT:對應 00001000，成功創建 TCP 鏈接

SelectionKey.OP_ACCEPT:對應 00010000，接受 TCP 鏈接

咱們能夠同時監聽一個 Channel 中的發生的多個事件，好比咱們要監聽 ACCEPT 和 READ 事件，那麼指定參數爲二進制的 00010001 即十進制數值 17 便可。

註冊方法返回值是 SelectionKey 實例，它包含了 Channel 和 Selector 信息，也包括了一個叫作 Interest Set 的信息，即咱們設置的咱們感興趣的正在監聽的事件集合。

調用 select() 方法獲取通道信息。用於判斷是否有咱們感興趣的事件已經發生了。

示例：

 

Selector selector = Selector.open();

channel.configureBlocking(false);

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

while(true) {
  // 判斷是否有事件準備好
  int readyChannels = selector.select();
  if(readyChannels == 0) continue;

  // 遍歷
  Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
  Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
  while(keyIterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();

    if(key.isAcceptable()) {
        // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.

    } else if (key.isConnectable()) {
        // a connection was established with a remote server.

    } else if (key.isReadable()) {
        // a channel is ready for reading

    } else if (key.isWritable()) {
        // a channel is ready for writing
    }

    keyIterator.remove();
  }
}

 

對於Selector，須要熟悉如下幾個方法：

select()

調用此方法，會將上次 select 以後的準備好的 channel 對應的 SelectionKey 複製到 selected set 中。若是沒有任何通道準備好，這個方法會阻塞，直到至少有一個通道準備好。

 

selectNow()

功能和 select 同樣，區別在於若是沒有準備好的通道，那麼此方法會當即返回 0。

select(long timeout)

看了前面兩個，這個應該很好理解了，若是沒有通道準備好，此方法會等待一會

wakeup()

這個方法是用來喚醒等待在 select() 和 select(timeout) 上的線程的。若是 wakeup() 先被調用，此時沒有線程在 select 上阻塞，那麼以後的一個 select() 或 select(timeout) 會當即返回，而不會阻塞，固然，它只會做用一次。

 

 

調

用 Buffer 的 flip() 方法，能夠從寫入模式切換到讀取模式。其實這個方法也就是設置了一下 position 和 limit 值罷了

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