《精通併發與Netty》學習筆記（10 - 詳解NIO (一) Channel、Buffer ）

1、Java NIO 概述

Java NIO 由如下幾個核心部分組成：
Channels
Buffers
Selectors
雖然Java NIO 中除此以外還有不少類和組件，但在我看來，Channel，Buffer 和 Selector 構成了核心的API。其它組件，如Pipe和FileLock，只不過是與三個核心組件共同使用的工具類。所以，在概述中我將集中在這三個組件上。其它組件會在單獨的章節中講到。
Channel 和 Buffer
基本上，全部的 IO 在NIO 中都從一個Channel 開始。Channel 有點象流。 數據能夠從Channel讀到Buffer中，也能夠從Buffer 寫到Channel中。這裏有個圖示：

Channel和Buffer有好幾種類型。下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的實現：
FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel
正如你所看到的，這些通道涵蓋了UDP 和 TCP 網絡IO，以及文件IO。
與這些類一塊兒的有一些有趣的接口，但爲簡單起見，我儘可能在概述中不提到它們。本教程其它章節與它們相關的地方我會進行解釋。
如下是Java NIO裏關鍵的Buffer實現：
ByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer
這些Buffer覆蓋了你能經過IO發送的基本數據類型：byte, short, int, long, float, double 和 char。
Java NIO 還有個 MappedByteBuffer，用於表示內存映射文件， 我也不打算在概述中說明。
Selector
Selector容許單線程處理多個 Channel。若是你的應用打開了多個鏈接（通道），但每一個鏈接的流量都很低，使用Selector就會很方便。例如，在一個聊天服務器中。
這是在一個單線程中使用一個Selector處理3個Channel的圖示：

要使用Selector，得向Selector註冊Channel，而後調用它的select()方法。這個方法會一直阻塞到某個註冊的通道有事件就緒。一旦這個方法返回，線程就能夠處理這些事件，事件的例子有如新鏈接進來，數據接收等。

 2、Channel

Channel的實現
這些是Java NIO中最重要的通道的實現：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel
FileChannel 從文件中讀寫數據。

DatagramChannel 能經過UDP讀寫網絡中的數據。

SocketChannel 能經過TCP讀寫網絡中的數據。

ServerSocketChannel能夠監聽新進來的TCP鏈接，像Web服務器那樣。對每個新進來的鏈接都會建立一個SocketChannel。

基本的 Channel 示例
下面是一個使用FileChannel讀取數據到Buffer中的示例：

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();

注意 buf.flip() 的調用，首先讀取數據到Buffer，而後反轉Buffer,接着再從Buffer中讀取數據。下一節會深刻講解Buffer的更多細節。

3、Buffer 

Java NIO中的Buffer用於和NIO通道進行交互。如你所知，數據是從通道讀入緩衝區，從緩衝區寫入到通道中的。

緩衝區本質上是一塊能夠寫入數據，而後能夠從中讀取數據的內存。這塊內存被包裝成NIO Buffer對象，並提供了一組方法，用來方便的訪問該塊內存。

Buffer的基本用法
使用Buffer讀寫數據通常遵循如下四個步驟：

寫入數據到Buffer
調用flip()方法
從Buffer中讀取數據
調用clear()方法或者compact()方法
當向buffer寫入數據時，buffer會記錄下寫了多少數據。一旦要讀取數據，須要經過flip()方法將Buffer從寫模式切換到讀模式。在讀模式下，能夠讀取以前寫入到buffer的全部數據。

一旦讀完了全部的數據，就須要清空緩衝區，讓它能夠再次被寫入。有兩種方式能清空緩衝區：調用clear()或compact()方法。clear()方法會清空整個緩衝區。compact()方法只會清除已經讀過的數據。任何未讀的數據都被移到緩衝區的起始處，新寫入的數據將放到緩衝區未讀數據的後面。

下面是一個使用Buffer的例子：

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capacity,position和limit
緩衝區本質上是一塊能夠寫入數據，而後能夠從中讀取數據的內存。這塊內存被包裝成NIO Buffer對象，並提供了一組方法，用來方便的訪問該塊內存。
爲了理解Buffer的工做原理，須要熟悉它的三個屬性：
capacity
position
limit
position和limit的含義取決於Buffer處在讀模式仍是寫模式。無論Buffer處在什麼模式，capacity的含義老是同樣的。
這裏有一個關於capacity，position和limit在讀寫模式中的說明，詳細的解釋在插圖後面。

capacity
做爲一個內存塊，Buffer有一個固定的大小值，也叫「capacity」.你只能往裏寫capacity個byte、long，char等類型。一旦Buffer滿了，須要將其清空（經過讀數據或者清除數據）才能繼續寫數據往裏寫數據。
position
當你寫數據到Buffer中時，position表示當前的位置。初始的position值爲0.當一個byte、long等數據寫到Buffer後， position會向前移動到下一個可插入數據的Buffer單元。position最大可爲capacity – 1.
當讀取數據時，也是從某個特定位置讀。當將Buffer從寫模式切換到讀模式，position會被重置爲0. 當從Buffer的position處讀取數據時，position向前移動到下一個可讀的位置。
limit
在寫模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer裏寫多少數據。 寫模式下，limit等於Buffer的capacity。
當切換Buffer到讀模式時， limit表示你最多能讀到多少數據。所以，當切換Buffer到讀模式時，limit會被設置成寫模式下的position值。換句話說，你能讀到以前寫入的全部數據（limit被設置成已寫數據的數量，這個值在寫模式下就是position）
Buffer的類型
Java NIO 有如下Buffer類型
ByteBuffer
MappedByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer

如你所見，這些Buffer類型表明了不一樣的數據類型。換句話說，就是能夠經過char，short，int，long，float 或 double類型來操做緩衝區中的字節。
MappedByteBuffer 有些特別，在涉及它的專門章節中再講。
Buffer的分配
要想得到一個Buffer對象首先要進行分配。 每個Buffer類都有一個allocate方法。下面是一個分配48字節capacity的ByteBuffer的例子。

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

這是分配一個可存儲1024個字符的CharBuffer：

CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

向Buffer中寫數據

寫數據到Buffer有兩種方式：
從Channel寫到Buffer。
經過Buffer的put()方法寫到Buffer裏。
從Channel寫到Buffer的例子

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.

經過put方法寫Buffer的例子：

buf.put(127);

put方法有不少版本，容許你以不一樣的方式把數據寫入到Buffer中。例如， 寫到一個指定的位置，或者把一個字節數組寫入到Buffer。 更多Buffer實現的細節參考JavaDoc。

flip()方法
flip方法將Buffer從寫模式切換到讀模式。調用flip()方法會將position設回0，並將limit設置成以前position的值。
換句話說，position如今用於標記讀的位置，limit表示以前寫進了多少個byte、char等 —— 如今能讀取多少個byte、char等。
從Buffer中讀取數據
從Buffer中讀取數據有兩種方式：
從Buffer讀取數據到Channel。
使用get()方法從Buffer中讀取數據。
從Buffer讀取數據到Channel的例子：

//read from buffer into channel.
int bytesWritten = inChannel.write(buf);

使用get()方法從Buffer中讀取數據的例子

byte aByte = buf.get();

get方法有不少版本，容許你以不一樣的方式從Buffer中讀取數據。例如，從指定position讀取，或者從Buffer中讀取數據到字節數組。更多Buffer實現的細節參考JavaDoc。

rewind()方法
Buffer.rewind()將position設回0，因此你能夠重讀Buffer中的全部數據。limit保持不變，仍然表示能從Buffer中讀取多少個元素（byte、char等）。
clear()與compact()方法
一旦讀完Buffer中的數據，須要讓Buffer準備好再次被寫入。能夠經過clear()或compact()方法來完成。
若是調用的是clear()方法，position將被設回0，limit被設置成 capacity的值。換句話說，Buffer 被清空了。Buffer中的數據並未清除，只是這些標記告訴咱們能夠從哪裏開始往Buffer裏寫數據。
若是Buffer中有一些未讀的數據，調用clear()方法，數據將「被遺忘」，意味着再也不有任何標記會告訴你哪些數據被讀過，哪些尚未。
若是Buffer中仍有未讀的數據，且後續還須要這些數據，可是此時想要先先寫些數據，那麼使用compact()方法。
compact()方法將全部未讀的數據拷貝到Buffer起始處。而後將position設到最後一個未讀元素正後面。limit屬性依然像clear()方法同樣，設置成capacity。如今Buffer準備好寫數據了，可是不會覆蓋未讀的數據。

mark()與reset()方法
經過調用Buffer.mark()方法，能夠標記Buffer中的一個特定position。以後能夠經過調用Buffer.reset()方法恢復到這個position。例如：

buffer.mark();
//call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.

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

equals()與compareTo()方法

可使用equals()和compareTo()方法兩個Buffer。

equals()
當知足下列條件時，表示兩個Buffer相等：

有相同的類型（byte、char、int等）。
Buffer中剩餘的byte、char等的個數相等。
Buffer中全部剩餘的byte、char等都相同。
如你所見，equals只是比較Buffer的一部分，不是每個在它裏面的元素都比較。實際上，它只比較Buffer中的剩餘元素。

compareTo()方法
compareTo()方法比較兩個Buffer的剩餘元素(byte、char等)， 若是知足下列條件，則認爲一個Buffer「小於」另外一個Buffer：

第一個不相等的元素小於另外一個Buffer中對應的元素 。全部元素都相等，但第一個Buffer比另外一個先耗盡(第一個Buffer的元素個數比另外一個少)。