Java NIO 基礎（一）

Java NIO 教程

NIO是什麼？

它是Java1.4以後出現的IO API，與傳統IO和網絡API不一樣，具備非阻塞的特色。

在BIO中咱們使用字節流和字符流。NIO中咱們使用channel和buffer。數據老是從一個channel中讀取到buffer中，或者從buffer中寫入到channel中。

NIO的意思是一個線程可讓一個channel將數據讀取到buffer中，與此同時，這個線程還能夠作其餘的事情，線程能夠等到數據所有進入buffer以後再處理數據，從buffer中寫入線程也是同樣的。

selector：選擇器是一個NIO當中的概念，指的是一個對象，能監視多個channel發生的事件（如鏈接創建，數據到達等）。所以，一個單線程能夠監視多個channel的數據。

Java NIO 總覽

Java NIO的三個核心基礎組件，

• Channels
• Buffers
• Selectors

其他的諸如Pipe，FileLcok都是在使用以上三個核心組件時幫助更好使用的工具類。

Channels和Buffers的關係

全部的IO操做在NIO中都是以Channel開始的。一個Channel就像一個流。從Channel中，數據能夠被讀取到buffer裏，也能夠從buffer裏寫到Channel中。

基本的Channel實現有如下這些：

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

涵蓋了UDP,TCP以及文件的IO操做。

核心的buffer實現有這些

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

涵蓋了全部的基本數據類型（4類8種，除了Boolean）。也有其餘的buffer如MappedByteBuffer，此處不講。

selectors

selector容許一個線程來監視多個Channel，這在當你的應用創建了多個鏈接，可是每一個鏈接吞吐量都較小的時候是可行的。例如：一個聊天服務器。圖爲一個線程使用selector處理三個channel。

要使用一個Selector，你要先註冊這個selector的Channels。而後你調用selector的select()方法。這個方法會阻塞，直到它註冊的channels當中有一個準備好了的事件發生了。當select()方法返回的時候，線程能夠處理這些事件，如新的鏈接的到來，數據收到了等。

NIO Channels

NIO channel和流很近似可是也有一些不一樣。

• 你既能夠讀取也能夠寫入到channel，流只能讀取或者寫入，inputStream和outputStream。
• channel能夠異步地讀和寫。
• channel永遠都是從一個buffer中讀或者寫入到一個buffer中去。

channel的實現

如下是NIO中最重要的幾個channel的實現。

• FileChannel 向文件當中讀寫數據。
• DatagramChannel 經過UDP協議向網絡讀寫數據
• SocketChannel 經過TCP協議向網絡讀寫數據
• ServerSocketChannel 以一個web服務器的形式，監聽到來的TCP鏈接，對每一個鏈接創建一個SocketChannel。

一個簡單的channel例子

使用一個FileChannel將數據讀入一個buffer

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

    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

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

      System.out.println("Read " + bytesRead);
      buf.flip();

      while(buf.hasRemaining()){
          System.out.print((char) buf.get());
      }

      buf.clear();
      bytesRead = inChannel.read(buf);
    }
    aFile.close();

buf.flip()的意思是讀寫轉換，首先你讀入一個buffer，而後你flip，轉換讀寫，而後再從buffer中讀出，buffer的操做接下來會講。

NIO buffer

NIO buffer在與NIO Channel交互時使用，數據從channel中讀取出來放入buffer，或者從buffer中讀取出來寫入channel。

buffer就是一塊內存，你能夠寫入數據，而且在以後讀取它。這塊內存被包裝成NIO buffer對象，它提供了一些方法來讓你更簡單地操做內存。

buffer的基本使用

使用buffer讀寫數據基本上分爲如下4部操做：

1. 將數據寫入buffer
2. 調用buffer.flip()
3. 將數據從buffer中讀取出來
4. 調用buffer.clear()或者buffer.compact()

在寫buffer的時候，buffer會跟蹤寫入了多少數據，須要讀buffer的時候，須要調用flip()來將buffer從寫模式切換成讀模式，讀模式中只能讀取寫入的數據，而非整個buffer。

當數據都讀完了，你須要清空buffer以供下次使用，能夠有2種方法來操做：

• 調用clear()
• 調用compact()

區別：clear方法清空整個buffer，compact方法只清除你已經讀取的數據，未讀取的數據會被移到buffer的開頭，此時寫入數據會從當前數據的末尾開始。

一個簡單的buffer使用例子：

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

//建立一個容量爲48的ByteBuffer
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buf); //從channel中讀（取數據而後寫）入buffer
//下面是讀取buffer
while (bytesRead != -1) {

      buf.flip();                      //轉換buffer爲讀模式

     while(buf.hasRemaining()){
          System.out.print((char) buf.get()); // 一次讀取一個byte
      }

  buf.clear();                         //清空buffer準備下一次寫入
  bytesRead = inChannel.read(buf);    
}
aFile.close();

buffer的Capacity,Position和Limit

buffer有3個屬性須要熟悉以理解buffer的工做原理：

• 容量（Capacity）：緩衝區可以容納的數據元素的最大數量。容量在緩衝區建立時被設定，而且永遠不能被改變。
• 上界（Limit）：寫模式中等價於buffer的大小，即capacity；讀模式中爲當前緩衝區中一共有多少數據，便可讀的最大位置。這意味着當調用filp()方法切換成讀模式時，limit的值變成position的值，而position從新指向0.
• 位置（Position）：下一個要被讀或寫的元素的位置。初始化爲0，buffer滿時，position最大值爲capacity-1。切換成讀模式的時候，position指向0。Position會自動由相應的 get( )和 put( )函數更新。

position和limit的值在讀/寫模式中是不同的。
capacity的值永遠表示buffer的大小。

下圖解釋了在讀/寫模式中Capacity,Position和Limit的意思。

buffer的種類

Java NIO中有如下這些buffer種類：

• ByteBuffer
• MappedByteBuffer //比較特殊，會在之後講解
• CharBuffer
• DoubleBuffer
• FloatBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• ShortBuffer

建立一個buffer

得到一個buffer 以前必須先分配一塊內存，每一個buffer類都有一個靜態方法allocate() 來作這件事。

下例爲建立一個容量爲48byte的ByteBuffer：
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

建立一個1024個字符的CharBuffer
CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

將數據寫入buffer

寫入buffer的方法有2種：

• 1.從一個channel中寫入buffer。
• 2.調用buffer的put()方法來自行寫入數據。

例：

int bytesRead = inChannel.read(buf); //從channel讀入buffer

buf.put(127); //自行寫入buffer

put方法有不少的重載形式。以供你用各類不一樣的方法寫入buffer中，好比從一個特定的position，或者寫入一個array，詳見JavaDoc。

flip()

flip方法將寫模式切換成讀模式，調用flip()方法會將limit設置爲position，將position設置回0。

換句話說，position標誌着寫模式中寫到哪裏，切換成讀模式以後，limit標誌着以前寫到哪裏，也就是如今能讀到哪裏。

從buffer中讀取數據

有2種方法能夠從buffer中讀取數據。

• 1.從buffer中讀取數據到channel中。
• 2.使用buffer的get()方法自行從buffer中讀出數據。

例子：

//從buffer中讀取數據到channel中
int bytesWritten = inChannel.write(buf);

//使用buffer的get()方法自行從buffer中讀出數據
byte aByte = buf.get();

get方法有不少的重載形式。以供你用各類不一樣的方法讀取buffer中的數據。例如從特定位置讀取數據，或者讀一個數組出來。詳見JavaDoc。

rewind()

rewind()方法將position設置爲0，可是不會動buffer裏的數據，這樣能夠從頭開始從新讀取數據，limit的值不會變，這意味着limit依舊標誌着能讀多少數據。

clear()和compact()

當你讀完全部的數據想要從新寫入數據時，你能夠調用clear或者compact方法。

當你調用clear()方法的時候，position被設置爲0，limit被設置爲capacity，換句話說，buffer的數據雖然都還在，可是buffer被初始化了，處於能夠被重寫的狀態。

這也就意味着若是buffer中還有沒被讀取的數據，在執行clear以後，你沒法知道數據讀到哪兒了，剩下的數據還有多少。

若是還有沒有讀完的數據，可是你想先寫數據，能夠用compact()方法，這樣未讀數據會放在buffer前端，能夠在未讀數據以後跟着寫新的數據。compact()會複製未讀數據到buffer前端，而後設置position爲未讀數據單位後面緊跟的位置。limit仍是設置爲capacity，這和clear是同樣的。如今buffer處於能夠寫的狀態，可是不會覆蓋以前未讀完的數據。

mark()和reset()

你能夠經過調用buffer.mark()來mark一個buffer中給定的位置。而後你就能夠用buffer.reset()方法來說position設置回以前mark的位置。

例子：

buffer.mark();

//調用buffer.get()方法若干次，e.g. 好比在作parsing的時候

buffer.reset();  //set position back to mark.

equals() 和 compareTo()

使用這2種方法可以比較2個buffer。

equals()

equals()方法用於判斷2個buffer是否相等，2個buffer是equal的，當它們：

1. 是同一種數據類型的buffer。
2. buffer中未讀取的bytes，chars等數據個數是同樣的，即（limit-position）相等，capacity不須要相等，剩餘數據的索引也不須要相等。
3. 未讀取的bytes，chars等內容是如出一轍的，即各自[position，limit-1]索引的數據要徹底相等。

如你所見，equals()方法只比較buffer的部份內容，而不是buffer中全部的數據，事實上，它只比較buffer中剩餘的元素是否同樣。

compareTo()

compareTo()方法比較兩個buffer的剩餘元素（字節，字符等），用於例如： 排序。

在下列狀況下，緩衝區被認爲比另外一個緩衝區「小」：

比較是針對每一個緩衝區你剩餘數據（從 position 到 limit）進行的，與它們在 equals() 中的方式相同，直到不相等的元素被發現或者到達緩衝區的上界。若是一個緩衝區在不相等元素髮現前已經被耗盡，較短的緩衝區被認爲是小於較長的緩衝區。

if (buffer1.compareTo(buffer2) < 0) { 
// do sth, it means buffer2 < buffer1，not buffer1 < buffer2
    doSth(); 
}