Java高效NIO之Java IO基礎

Java中有兩套IO模型，分別是傳統IO和JDK1.4新引入的NIO（叫New IO或 Non-Blocking IO，後者更能體現它的設計理念）。
在傳統IO模型中，網絡IO是基於數據流（Stream）的，數據的輸入和輸出分別對應InputStream和OutputStream。流數據只能逐字節的讀取（或寫入），直到全部數據讀取（或寫入）完畢，流數據只能單向的讀取（或寫入），無緩存區，沒法對數據進行先後移動訪問。
在NIO模型中，網絡IO是基於Channel和IO多路複用技術，實現原理更接近OS的IO模型，網絡讀IO的兩階段模型（數據準備、數據拷貝）中，數據準備階段是Non-Blocking的，Channel和Buffer配合主要處理的是數據拷貝階段的工做。

傳統IO模式，在處理數據流過程當中，線程處於阻塞狀態，直到流處理（讀取後寫入）完畢，因此一個線程只能處理一個IO任務，若是IO未準備就緒無數據（或不可寫）線程只能一直等待，直到能夠有數據（或可寫）；
NIO模式，採用IO多路複用技術，使用選擇器（Selector）監控一組IO，雖然Selector線程也處於阻塞狀態，但一個線程能夠同時處理多個IO任務，當IO就緒時，Selector返回就緒的IO並由程序進行處理。

NIO核心設計

如上圖所示，NIO的核心涉及3部分，分別爲Selector、Channel和Buffer。在描述數據讀寫操做時，須要特別注意讀寫的主體，從Channel的角度，讀數據是指把數據從Channel讀取數據寫入Buffer，寫數據是指把Buffer的數據寫入Channel；從Buffer的角度，寫數據是指把數據寫入Buffer，讀數據是指從Buffer中讀取數據寫入Channel或轉換爲其餘數據類型。

Selector

Selector是NIO多理複用的執行組件，系統在處理多個IO任務時，能夠把每一個IO任務以Channel的方式註冊到Selector，經過Selector.select()統一監控向其註冊的Channel的狀態，select()方法會阻塞，直到其中有Channel的IO狀態準備就緒有數據可讀（或IO可寫）時，select()返回就緒IO的Channel由程序處理相關事件。
Selector只能監聽SelectableChannel類型的Channel，主要應用場景爲網絡IO等數據準備階段時間較長的IO，SocketChannel屬於此類型，而FileChannel不屬於。

Selector的主要方法：

1. open()：靜態方法，建立Selector對象
2. select()：查詢IO準備就緒的Channel

Channel

Channel是NIO中數據處理的入口，每一個Channel對應着一個IO的底層數據Buffer，負責對Buffer的寫入或讀取操做。根據IO類型不一樣，Java中提供了以下通用Channel實現。

1. FileChannel：文件讀寫操做
2. SocketChannel：TCP Socket鏈接
3. ServerSocketChannel：TCP Socket服務器端，處理監聽端口創建Socket的accept事件
4. DatagramChannel：UDP鏈接

SocketChannel的主要方法：

1. register()：向Selector註冊Channel感興趣的事件，事件包括：

   1. OP_ACCEPT：ServerSocketChannel收到客戶端鏈接事件
   2. OP_CONNECT：客戶端鏈接服務器成功事件
   3. OP_READ：Channel收到數據，可讀事件
   4. OP_WRITE：Channel可寫事件
2. open()：靜態方法，創建Socket Channel通道
3. read()：從Channel中讀取數據，寫入Buffer
4. write()：把Buffer中數據寫入Channel
5. map()：把Channel中部分數據或者所有數據映射成MappedByteBuffer

當Socket關閉後，會觸發對端的OP_READ事件，但此時read()返回-1或throw IOexception，能夠經過這兩個判斷來肯定對端是否關閉，並調用close()方法關閉SocketChannel並執行清理工做。

Buffer

Buffer本質上是一塊連續的內存區域，提供數據緩存功能和Channel對數據的讀寫操做能力。NIO提供了 ByteBuffer / CharBuffer / DoubleBuffer / FloatBuffer / IntBuffer / LongBuffer / ShortBuffer Buffer類型，實現讀Java基本類型的緩存支持。對Buffer的讀寫操做過程當中，涉及3個關鍵參數，即postion、limit和capacity。其中position和limit在讀/寫操做時具備不一樣的意義，而capacity讀寫時都是表示Buffer的大小。Buffer初始處於寫狀態，數據寫入後，經過flip切換的讀取狀態，讀取完後，再經過clear清除數據，準備寫入。

Capacity
Buffer是一個固定大小的內存緩存區，Capacity就表示其總長度。向Buffer寫入的數據字節（byte/char/int/long等）總長度不能超過Capacity。當Buffer寫滿時，須要（讀取）清空後才能繼續寫入。

Position
Position初始位置爲0，當Buffer讀寫模式切換時，也會自動重置爲0。
讀取模式時，Position表示當前讀取數據的位置，讀取當前位置數據後，Position自動移到下一個可讀位置，讀取位置不能超過Limit。
寫入模式時，Position表達當前寫入數據的位置，在當前位置寫入數據後，Position自動移到下一個寫入位置，寫入位置不能超過Capacity - 1。

Limit
讀模式時，Limit表示Buffer中可讀取數據長度，當Buffer從寫模式切換到讀模式時，Limit值等於寫模式時的Position。
寫模式時，Limit表示可寫入數據總長度，其值等於Capacity - 1。

Buffer的主要方法：

1. allocate()：靜態方法，分配Buffer空間
2. allocateDirect()：靜態方法，分配Native堆Buffer空間
3. flip()：調整position和limit到讀取數據狀態
4. clear()：清空數據，爲再次寫入數據準備
5. rewind()：設置position爲0，重置讀取位置
6. put()/get()：寫入和讀取數據

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

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

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