Java NIO：Buffer、Channel 和 Selector

本文將介紹 Java NIO 中三大組件 Buffer、Channel、Selector 的使用。

原本要一塊兒介紹非阻塞 IO 和 JDK7 的異步 IO 的，不過由於以前的文章真的太長了，有點影響讀者閱讀，因此這裏將它們放到另外一篇文章中進行介紹。

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.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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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，超過會拋 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。

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;
}

對應寫入操做的一系列 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();

固然了，除了將數據從 Buffer 取出來使用，更常見的操做是將咱們寫入的數據傳輸到 Channel 中，如經過 FileChannel 將數據寫入到文件中，經過 SocketChannel 將數據寫入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 這三個基本的屬性外，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 設值爲當前的 position，便於後續須要的時候使用。

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 0，一般用於從新從頭讀寫 Buffer。

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

clear()：有點重置 Buffer 的意思，至關於從新實例化了同樣。

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

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

compact()：和 clear() 同樣的是，它們都是在準備往 Buffer 填充新的數據以前調用。

前面說的 clear() 方法會重置幾個屬性，可是咱們要看到，clear() 方法並不會將 Buffer 中的數據清空，只不事後續的寫入會覆蓋掉原來的數據，也就至關於清空了數據了。

而 compact() 方法有點不同，調用這個方法之後，會先處理尚未讀取的數據，也就是 position 到 limit 之間的數據（尚未讀過的數據），先將這些數據移到左邊，而後在這個基礎上再開始寫入。很明顯，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：把它理解爲 TCP 鏈接通道，簡單理解就是 TCP 客戶端
• ServerSocketChannel：TCP 對應的服務端，用於監聽某個端口進來的請求

這裏不是很理解這些也不要緊，後面介紹了代碼以後就清晰了。還有，咱們最應該關注，也是後面將會重點介紹的是 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。

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。

至少讀者應該記住一點，這兩個方法都是 channel 實例的方法。

FileChannel

我想文件操做對於你們來講應該是最熟悉的，不過咱們在說 NIO 的時候，其實 FileChannel 並非關注的重點。並且後面咱們說非阻塞的時候會看到，FileChannel 是不支持非阻塞的。

這裏算是簡單介紹下經常使用的操做吧，感興趣的讀者瞄一眼就是了。

初始化：

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

固然了，咱們也能夠從 RandomAccessFile#getChannel 來獲得 FileChannel。

讀取文件內容：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

int num = fileChannel.read(buffer);

前面咱們也說了，全部的 Channel 都是和 Buffer 打交道的。

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

咱們前面說了，咱們能夠將 SocketChannel 理解成一個 TCP 客戶端。雖然這麼理解有點狹隘，由於咱們在介紹 ServerSocketChannel 的時候會看到另外一種使用方式。

打開一個 TCP 鏈接：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 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("https://www.javadoop.com", 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);   
}

不要在這裏停留過久，先繼續往下走。

ServerSocketChannel

以前說 SocketChannel 是 TCP 客戶端，這裏說的 ServerSocketChannel 就是對應的服務端。

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();
}

這裏咱們能夠看到 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，它一旦接收到請求後，實例化 SocketChannel，以後在這個鏈接通道上的數據傳遞它就無論了，由於它須要繼續監聽端口，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。

科普一下，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

NIO 三大組件就剩 Selector 了，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。

讀者在這一節不能消化 Selector 也不要緊，由於後續在介紹非阻塞 IO 的時候還得說到這個，這裏先介紹一些基本的接口操做。

1. 首先，咱們開啓一個 Selector。大家愛翻譯成選擇器也好，多路複用器也好。

   Selector selector = Selector.open();

2. 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。

3. 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。

Selector 的操做就是以上 3 步，這裏來一個簡單的示例，你們看一下就行了。以後在介紹非阻塞 IO 的時候，會演示一份可執行的示例代碼。

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，咱們還須要很是熟悉如下幾個方法：

1. 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。

2. 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。

3. 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

4. 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。

小結

到此爲止，介紹了 Buffer、Channel 和 Selector 的常見接口。

Buffer 和數組差很少，它有 position、limit、capacity 幾個重要屬性。put() 一下數據、flip() 切換到讀模式、而後用 get() 獲取數據、clear() 一下清空數據、從新回到 put() 寫入數據。

Channel 基本上只和 Buffer 打交道，最重要的接口就是 channel.read(buffer) 和 channel.write(buffer)。

Selector 用於實現非阻塞 IO，這裏僅僅介紹接口使用，後續請關注非阻塞 IO 的介紹。

（全文完）