Java NIO 简介 - Pure nonsense

主要内容

1 Nio和普通IO的区别
2 Channel和Buffer（缓冲区）
3 分散读和集中写
- 3.1 分散读
- 3.2 集中写
4 视图缓冲区

Nio和普通IO的区别

传统的IO操作是基于流的，例如字节流和字符流；而Nio是基于缓冲区的（Buffer对象）。
Nio可以同时进行读写操作（双向操作），而传统的IO则是单向的，只能读或写。
Nio可进行异步读写操作，而传统的IO则只能进行阻塞式操作。

Channel和Buffer（缓冲区）

在Nio中，数据总是在Channel对象和Buffer对象之间进行传输：把数据从Buffer写入Channel，或者从Channel读入数据到Buffer。Buffer是内存中的一个数据段，java提供了一些列的api来方便地操作这个数据对象。Channel是一个接口，我们通过和Channel连接的底层文件或网络套接字操作数据。Nio包中实现了几个比较重要的类：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

FileChannel用于进行文件的读取和写入操作。

DatagramChannel用于向网络中通过udp的形式读取和写入数据

SocketChannel同样是向网络中读取和写入数据，但是是以tcp的形式进行操作。

ServerSocketChannel可用于监听网络中的tcp连接，每个连接创建一个SocketChannel对象。

创建Channel对象

在早期的API中，FileChannel可通过FileInputStream、FileOutputStream、RandomAccessFile对象的getChannel方法创建一个连接到底层文件的Channel对象。

而DatagramChannel和SocketChannel则可通过它们的静态方法open来创建对象。

下面的例子创建了一个FileChannel对象并从文件读取数据：

FileInputStream inputStream = new FileInputStream(new File("D:\\test.txt"));

FileChannel fileChannle = inputStream.getChannel();

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);

int read = fileChannle.read(buffer);

if (read != -1) {

System.out.println("Read " + read);

buffer.flip();

while (buffer.hasRemaining()) {

System.out.print((char) buffer.get());

}

buffer.clear();

read = fileChannle.read(buffer);

}

inputStream.close();

从java1.7 开始，可以使用新的apiFiles创建Channel对象，例如：

Path filePath = Paths.get("D:\\test.txt");

try (WritableByteChannel channel = Files.newByteChannel(filePath, EnumSet.of(CREATE, WRITE))) {

//执行buffer操作

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

创建Buffer对象

Java NIO中有如下几种Buffer类型：

ByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer

其中最重要的类型是ByteBuffer，因为Channel中的读写方法只接受ByteBuffer类型的参数。其他的类型使用的时候都是通过ByteBuffer转换而来的。

在前面的代码中，我们通过ByteBuffer的静态方法allocate创建了一个容量为64的ByteBuffer对象：

//创建ByteBuffer对象

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);

//把数据装入到buffer对象

int read = fileChannle.read(buffer);

缓冲区的容量（Capacity）

缓冲区的容量指的是该对象可容纳多少个指定类型的数据，例如前面的allocate(64)，则该缓冲区可包含64个byte类型的元素，如果是DoubleBuffer的对象，例如：DoubleBuffer.allocate(32),则这个缓冲区可容纳32个Double类型的元素。缓冲区中的值从零开始索引，因此，在引用缓冲区中的值时，索引位置从0开始到capacity-1。

缓冲区的位置（position）和限制（limit）

缓冲区有两个模式，分别是读模式和写模式。刚初始化的缓冲区position在索引0处。在写模式中，position通常指的是已经写入的数据量，例如一个初始化容量为64的缓冲区，写入的数据量为32，则position为32。limit在写模式中指的是允许写入的数据量，默认情况下limit的值等于缓冲区capacity的值。

在读模式中，情况稍有不同。在向一个缓冲区写完数据后，再从这个缓冲区中读取数据，可以这样做：

//把position重置为0

buffer.flip();

//获取一个字符

char data = (char) buffer.get();

flip()方法用于把缓冲区从写模式切换到读模式，额外地，调用flip()方法会把缓冲区的position重置为0，并把limit的值设置为写模式时position的值（之前写入的数据量），也就是说，limit在读模式表示我们从缓冲区能够读取的最大数据。

rewind方法

rewind方法用于重置position的值，通常我们想切换缓冲区到读模式的时候才会这样做，以便读取所有的数据。rewind方法并不会设置limit的值，limit的值依然等于capacity，这样，就会读取到缓冲区中的空数据。如果要达到flip()方法的效果，可以显式设置缓冲区的limit值：

1	buffer.limit(buffer.position()).rewind(0);

clear方法和compact()方法

clear方法用于把position的值和limit的值还原到初始状态，即position=0，limit=capacity，但是，clear之后缓冲区中的数据依然存在。

compact方法用于压缩缓冲区。假如缓冲区中有部分数据还没有读取，但是这个时候你需要先向缓冲区中写数据，那么，调用compact方法会把未读取的数据移动到缓冲区开始的位置，然后把position设置到未读数据的后面，limit设置为capacity，这样，未读的数据就不会被覆盖。

标记（mark）和重置（reset）

对缓冲区使用标记是为了告诉缓冲区我们稍后使用reset想要返回的特定索引位置。例如：

1	buffer.limit(512).position(256).mark();

上面的代码把标记设置为256，在经过一系列对缓冲区（position）的修改之后，可以使用reset方法重新返回到索引256的位置。reset之前必须设置了标记，否则reset方法会抛出InvalidMarkException异常。

传输数据到缓冲区

所有Buffer类都有两种put()方法，用于将单个数据类型传输到缓冲区：

put(byte b)
put(int index, byte b)

单个参数的put方法把字节传输到缓冲区的当前位置（position）并且将位置增加1，注意position的位置不能超过limit的限制，否则抛出BufferOverflowException异常；两个参数的put方法把字节传输到指定index的索引位置，但不改变position的值，如果index值为负数，或者index大于或等于缓冲区的limit值，则抛出IndexOutOfBoundsException异常。

除了可以把单个数据类型传输到缓冲区外，所有的Buffer类都有三个put方法，用于传输大块的数据到缓冲区。下面是这些方法：

put(byte[] array)
put(byte[] array, int offset, int length)
put(ByteBuffer src)

其他putXXX()方法

除了byte类型的数据，Buffer类还提供了支持其他数据类型操作的方法，例如：putChar()、putShort()、putInt()、putLong()、putDouble()、putFloat()。每个方法都传输对应类型的值，这些方法都只提供对单个值的传输，如果想传输一个数组，就必须使用循环。

从缓冲区提取数据

和put方法类似，ByteBuffer对象提供了一系列的get方法，用来提取缓冲区中的数据，如下：

get() 提取并返回当前缓冲区位置所在的字节并且增加position的值
get(int index) 返回索引位置index的字节
get(byte[] bytes) 从缓冲区位置0开始，往后提取bytes.length个字节，position的值增加bytes.length
get(byte[] bytes, int offset, int length) 从当前位置往后提取length个字节，储存到bytes数组中从offset开始的索引

分散读和集中写

分散读和集中写由两个Channel接口提供支持，它们分别是：ScatteringByteChannel和GatheringByteChannel

分散读

分散读指的是把数据从Channel读入到多个Buffer对象。

ScatteringByteChannel的具体实现类如下：

下面的代码把一个文件的数据读入到多个Buffer对象中

public void scatteringRead() throws IOException{

FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("D:\\test.txt"));

FileChannel fileChannel = fis.getChannel();

//创建Buffer

ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(128);

ByteBuffer buf2 = ByteBuffer.allocate(102400);

ByteBuffer[] bufferArray = {buf1, buf2};

//把数据传输到数组中的两个buffer中

long read = fileChannel.read(bufferArray);

if(read>0){

buf1.flip(); //把buf1切换到读模式

buf2.flip(); //把buf2切换到读模式

while(buf1.hasRemaining()){

System.out.print((char)buf1.get());

}

while(buf2.hasRemaining()){

System.out.print((char)buf2.get());

}

fis.close();

}

在分散读的时候，当把第一个缓冲区填满之后，才会使用第二个缓冲区。

集中写

集中写的数据流向和分散读相反，集中写把数据从多个缓冲区取出，然后写入到一个Channel中。基本上实现了分散读的类同样实现了集中写。

下面的代码展示如何把多个缓冲区的数据写入和channel连接的底层文件：

public void gatheringWrite() throws IOException{

FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("D:\\test.txt"));

FileChannel fileChannel = fos.getChannel();

// 创建Buffer

ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(128);

ByteBuffer buf2 = ByteBuffer.allocate(256);

//填充内容

buf1.put("the first line\r\n".getBytes());

buf2.put("the second line".getBytes());

ByteBuffer[] bufferArray = {buf1, buf2};

buf1.flip(); //重置position和limit

buf2.flip(); //重置position和limit

//把缓冲区数据写入和channel连接的底层文件

fileChannel.write(bufferArray);

fos.close();

}

假如一个容量为128的ByteBuffer，里面只有20个数据，那么集中写只会向channel写这20个数据，空白的数据被忽略。

视图缓冲区

视图缓冲区是指除ByteBuffer类型之外的其他缓冲区类型，由于这些缓冲区类型底层还是封装了ByteBuffer类型，所以称它们为ByteBuffer的视图缓冲区。以CharBuffer为例子，查看ByteBuffer的asCharBuffer()方法，就会看到类似下面的代码：

public CharBuffer asCharBuffer() {

int size = this.remaining() >> 1;

int off = offset + position();

return (bigEndian

? (CharBuffer)(new ByteBufferAsCharBufferB(this,

-1,

size,

off))

: (CharBuffer)(new ByteBufferAsCharBufferL(this,

-1,

size,

off)));

}

可以看到，当创建一个CharBuffer缓冲区的时候，新的CharBuffer容量实际上是ByteBuffer的剩余空间除以2得来的。需要注意的是，剩余空间只能转换能被2整除的部分，不能被2整除的部分会被舍弃。例如下面的例子：

@Test

public void usingCharBuffer(){

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(32);

//初始状态没有使用任何空间，可用空间为32

System.out.println(byteBuffer.remaining());

//byteBuffer填充了11个数据

byteBuffer.put("hello world".getBytes());

System.out.println(byteBuffer.remaining());

//创建一个char类型的缓冲视图

CharBuffer charBuffer = byteBuffer.asCharBuffer();

//输出结果为10

System.out.println(charBuffer.capacity());

}

意料之中，上面的代码初始化了一个容量为32的ByteBuffer，然后使用11个数据进行填充，因此，可用空间剩下21个，除以2，获得charBuffer的容量为10，余数1被舍弃。

另外，从代码中可以得出另一个结论：视图缓冲区和ByteBuffer缓冲区使用的是同一个内存空间。

并不是说，转换为CharBuffer后的空间ByteBuffer就不能够使用，实际上，ByteBuffer还是和原来一样，它还能够操作CharBuffer的那一段空间。转换为CharBuffer的好处是使我们操作char类型数据的时候更加方便。另外，ByteBuffer和CharBuffer的position和limit并不一样，它们不会互相干扰。如下代码：

@Test

public void usingCharBuffer() {

//创建一个容量为12的buffer

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(12);

//填充4个字节的数据

byteBuffer.put("test".getBytes());

//剩下的8个字节转换为容量等于4的CharBuffer

CharBuffer charBuffer = byteBuffer.asCharBuffer();

//向charBuffer写数据

charBuffer.put("haha");

charBuffer.flip();

//获取charBuffer第一个位置上的数据，结果是 h

System.out.println(charBuffer.get());

}

因为CharBuffer是以两个字节为单位来保存数据的，所以haha刚好占用了CharBuffer的所有4个单位空间。

下图可以更清楚地描述两者之间的关系：

分析一下上图中的一些数据，第一次调用byteBuffer.put()的时候，byteBuffer的position是4，limit是12，因为没有执行flip()方法。而charBuffer在创建之后填充数据之前，它的position和limit值分别是0和4；填充数据之后，执行flip方法之前，position分别是4和4。所以，charBuffer的位置和限制只维护属于自己管理的那一段数据。

我们之前说过，视图缓冲区和ByteBuffer缓冲区使用的是同一个内存空间，也就是说，如果ByteBuffer的position和limit值管理不好的话，是很容易覆盖掉CharBuffer中的数据的，例如下面的代码：

@Test

public void usingCharBuffer() {

//创建一个容量为12的buffer

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(12);

//填充4个字节的数据

byteBuffer.put("test".getBytes());

//剩下的8个字节转换为容量等于4的CharBuffer

CharBuffer charBuffer = byteBuffer.asCharBuffer();

//向charBuffer写数据

charBuffer.put("haha");

charBuffer.flip();

//获取charBuffer第一个位置上的数据，结果是 h

System.out.println(charBuffer.get());

//往第五个索引写入数据，

//byteBuffer的第五个索引实际上是CharBuffer的第一个索引

byteBuffer.put(5, (byte)'b');

charBuffer.flip();

//这个时候，charBuffer获取到的是上面设置的数据b，原先的h已经被覆盖

System.out.println(charBuffer.get());

}

代码中的注释已经说得很清楚，byteBuffer的第五个索引实际上是CharBuffer的第一个索引，因此原先CharBuffer中保存的h被数据b覆盖了。为了防止这样的事情发生，我们必须自己追踪ByteBuffer的位置和限制。

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