前言

上一章节我们认识了一下Java的三大IO，这一章节我们详细了解一下NIO的工作原理以及三大核心Selector,Channel,Buffer并尝试来做一些小案例。

Java NIO 模型

Java NIO有三个核心的组件： selector 选择器， channel 通道， buffer 缓冲区，模型如下：

Selector 多路复用器

选择器,也叫多路复用器，Java的NIO通过selector实现一个线程处理多个客户端链接，多个channel可以注册到同一个Selector，Selector能够监测到channel上是否有读/写事件发生,从而获取事件和对事件进行处理，所以Selector切到哪个channel是由事件决定的。当线程从某个客户端通道未读取到数据时，可以把空闲时间用来做其他任务，性能得到了提升。

Channel 通道

channel 通道是双向的，channel 可以往buffer写入数据，同时channel 也可以从buffer读取数据，它可以同时进行读写。它和BIO中的stream流很像，区别是stream流只能单向读或者写，而NIO总的channel可以双向读写，常用的Channel类有：

FileChannel：主要用于文件的IO操作
DatagramChannel：主要用于 UDP 的数据读写
ServerSocketChannel 和 SocketChannel：用于TCP数据读取

Buffer 缓冲区

buffer主要是和channel通道做数据交互，Channel 提供从文件或网络读取数据的渠道,但是数据读取到一个它稍后处理的buffer中，实现了IO的非阻塞。每个channel通道都会对应一个buffer,buffer是一个内存块，底层有一个数组，NIO的buffer可以写如数据，也可以从中读取数据。在Java中封装了很多基于buffer的类，如：

ByteBuffer:存储字节数据到缓冲区
ShortBuffer:存储字符串数据到缓冲区
CharBuffer:存储字符数据到缓冲区
IntBuffer:存储整数数据到缓冲区
LongBuffer:存储长整型数据到缓冲区
FloatBuffer:存储小数到缓冲区
DoubleBuffer:存储小数到缓冲区
MappedByteBuffer：基于内存操作文件

Buffer 的理解和使用

buffer : 缓冲区，buffer主要是和channel通道做数据交互，可以把数据写入Buffer以及从Buffer读取数据，java.nio.Buffer源码，以及常用子类如下：

Buffer可以看做是有一个数组来存储元素，Buffer类提供了四个很重要的属性

capacity:Buffer所能够存放的最大容量，最多只能向 Buffer 写入 capacity 大小的字节
position:下一个被读或写的位置,随着不停的写入数据，position会向后移动，初始值是0，最大值是capacity - 1。
当然在读数据的时候也需要知道读取的位置，当调用 flip 方法将 Buffer 从写模式转换为读模式时，position 被重新设置为 0 ，随着不停的读取，position会指向下个读取位置。
mark: 标记位置,用于记录某次读写的位置
limit: 对position的限制，在写模式下限制你能将多少数据写入Buffer中，limit等同于Buffer的容量（capacity）。
当切换Buffer为读模式时，限制你最多能读取到多少数据。因此，当切换Buffer为读模式时，限制会被设置为写模式下的position值，即：你能读到之前写入的所有数据，限制被设置为已写的字节数，在写模式下就是position。

buffer使用数组存储元素，下面用 java.nio.ByteBuffer 来举例，源码如下：

publicabstractclassByteBufferextendsBufferimplementsComparable<ByteBuffer>{
// These fields are declared here rather than in Heap-X-Buffer in order to// reduce the number of virtual method invocations needed to access these// values, which is especially costly when coding small buffers.////存储数据的byte数组finalbyte[] hb;                  // Non-null only for heap buffersfinalintoffset;
booleanisReadOnly;                 // Valid only for heap buffers

这里看到了，ByteBuffer底层就是使用一个 final byte[] hb; 来存储元素，其他的Buffer是相同的道理。

创建容量为10字节的buffer: ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);

写入三个字节的数据byteBuffer.put("aaa".getBytes());

调用读写转换方法 byteBuffer.flip();

读3个字节元素： byte[] bytes = new byte[4]; byteBuffer.get(bytes , 0 ,2);

Buffer API介绍

publicabstractclassBuffer {
//返回此缓冲区容量capacitypublicfinalintcapacity( )
//返回此缓冲区位置positionpublicfinalintposition( )
//设置缓冲区的位置position publicfinalBufferposition (intnewPositio)
//返回此缓冲区limitpublicfinalintlimit( )
//设置此缓冲区的限制limitpublicfinalBufferlimit (intnewLimit)
//在此缓冲区的位置设置标记publicfinalBuffermark( )
//将此缓冲区的位置重置为以前标记的位置//把position设置为markpublicfinalBufferreset()
//清除此缓冲区, 即将各个标记恢复到初始状态//把position设置为 0 ，limit = capacity;publicfinalBufferclear( )
//读写反转此缓冲区publicfinalBufferflip( )
//重置此缓冲区，position = 0;   mark = -1;publicfinalBufferrewind( )
//返回当前位置与限制之间的元素数publicfinalintremaining( )
//返回当前位置之后是否还有元素publicfinalbooleanhasRemaining( )
//告知此缓冲区是否为只读缓冲区publicabstractbooleanisReadOnly( );
//返回此缓冲区是否具有可访问的底层实现数组publicabstractbooleanhasArray();
//返回此缓冲区的底层实现数组publicabstractObjectarray();
//返回此缓冲区的底层实现数组中第一个缓冲区元素的偏移量publicabstractintarrayOffset();
//告知此缓冲区是否为直接缓冲区publicabstractbooleanisDirect();
}
publicabstractclassFileChannelextendsAbstractInterruptibleChannelimplementsSeekableByteChannel, GatheringByteChannel, ScatteringByteChannel{
//从通道读取数据并放到缓冲区中publicintread(ByteBufferdst) ;
//把缓冲区的数据写到通道中publicintwrite(ByteBuffersrc) ;
//从目标通道中复制数据到当前通道publiclongtransferFrom(ReadableByteChannelsrc, longposition, longcount);
//把数据从当前通道复制给目标通道publiclongtransferTo(longposition, longcount, WritableByteChanneltarget);
}

Bytebuffer 简单使用

@TestpublicvoidbyteBufferTest(){
//创建一个容量 1024 的bytebufferByteBufferbyteBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);
//存储元素byteBuffer.putChar('哈');
byteBuffer.putInt(123);
byteBuffer.putShort((short) 123);
//读写转换byteBuffer.flip();
//获取元素System.out.println(byteBuffer.getChar());   //哈System.out.println(byteBuffer.getInt());    //123System.out.println(byteBuffer.getLong());   //BufferUnderflowException 缓冲区溢出异常}

使用buffer是需要注意，如果put的数据类型，和get是使用的类型不一致，可能会出现BufferUnderflowException 缓冲区溢出异常

写数据到文件

这个案例是通过Java把一段字符串写到磁盘的某个文件，它的大概流程示意图如下:

实现步骤如下:

把数据写入一个ByteBuffer缓冲区
创建一个FileOutputStream 输出流，目的是磁盘的一个文件
通过FileOutputStream得到FileChannel通道
调用channel.write，把ByteBuffer中的数据写入FileChannel，从而写到磁盘文件

实现代码如下：

//使用NIO向磁盘写一个文件@TestpublicvoidnioWriteTest() throwsIOException {
//文件输出流FileOutputStreamfileOutputStream=newFileOutputStream("d:/1.txt");
//获取通道FileChannelchannel=fileOutputStream.getChannel();
//构建一个 容量1024字节长度的缓冲取ByteBufferbyteBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);
System.out.println(byteBuffer.getClass().getName());
//给buffer写入数据byteBuffer.put("你好NIO".getBytes());
//转换byteBuffer.flip();
//把buffer中的数据通过通道写入初盘文件channel.write(byteBuffer);
//关闭通道channel.close();
//关闭输出流fileOutputStream.close();
   }

从文件读数据

这个案例是通过Java把某个文件中数据读取到内存中，它的大概流程示意图如下:

实现步骤如下:

创建一个FileInputStream，目的是读取磁盘的某个文件
通过FileInputStream得到FileChannel
创建一个ByteBuffer用来接收数据
调用 channel.read 把数据写入bytebuffer
再从bytebuffer中得到真实的数据

实现代码如下：

@TestpublicvoidnioReadTest() throwsIOException {
//文件输入流Filefile=newFile("d:/1.txt");
FileInputStreamfileInputStream=newFileInputStream(file);
//获取通道FileChannelchannel=fileInputStream.getChannel();
//创建一个buffer,容量为file的长度ByteBufferbyteBuffer=ByteBuffer.allocate((int)file.length());
//从通道中读取数据到bytebuffer中channel.read(byteBuffer);
//输出结果System.out.println(newString(byteBuffer.array()));
//关闭资源channel.close();
fileInputStream.close();
 }

使用NIO完成文件拷贝

这个案例是通过NIO实现文件拷贝，它的大概流程示意图如下:

实现步骤如下:

创建一个FileInputStream，目的是读取磁盘的某个文件
通过FileInputStream得到FileChannel
创建一个ByteBuffer用来接收数据
调用 channel.read 把数据写入bytebuffer
创建FileOutputStream，目的是把数据写到另外一个文件
通过FileOutputStream得到FileChannel通道
调用channel.write，把ByteBuffer中的数据写入FileChannel，从而写到磁盘文件

实现代码如下：

//文件拷贝 1.txt 中的内容拷贝到2.txt@TestpublicvoidnioCopyTest() throwsIOException {
//文件对象Filefile=newFile("d:/1.txt");
//文件输入流FileInputStreamfileInputStream=newFileInputStream(file);
//得到通道FileChannelchannel=fileInputStream.getChannel();
//文件输出流FileOutputStreamfileOutputStream=newFileOutputStream("d:/2.txt");
//获取通道FileChanneloutChannel=fileOutputStream.getChannel();
//缓冲区，容量为file的长度ByteBufferbyteBuffer=ByteBuffer.allocate((int)file.length());
while(true){
//每次读取需要把缓冲区复位,否则当bytebuffer总的position等于limit的时候，//read的返回值是 0 ，用于不会走-1，就会死循环byteBuffer.clear();
//把数据读取到缓冲区intreadLenth=channel.read(byteBuffer);
System.out.println("redLength = "+readLenth);
//读取结果长度为-1说明读完了if(readLenth==-1){
break;
        }
//缓冲区读写交换byteBuffer.flip();
outChannel.write(byteBuffer);
    }
//关闭通道channel.close();
//关闭流fileInputStream.close();
//关闭通道outChannel.close();
//关闭流fileOutputStream.close();
}

使用transferFrom拷贝文件

FileChannel提供了 transferFrom方法可以实现通道和通道之间的数据拷贝，方法包括三个参数：

publicabstractlongtransferFrom(ReadableByteChannelsrc,
longposition, longcount)throwsIOException;

src : 源通道,即从哪个通道拷贝数据
position ：拷贝的开始位置；必须是非负数
count ：要拷贝的最大字节数；必须是非负数

实现代码如下：

//文件拷贝 1.txt 中的内容拷贝到2.txt@TestpublicvoidnioCopyTest2() throwsIOException {
//读操作=================================================================================//文件对象Filefile=newFile("d:/1.txt");
//文件输入流FileInputStreamfileInputStream=newFileInputStream(file);
//得到通道FileChannelinputChannel=fileInputStream.getChannel();
//文件输出流FileOutputStreamfileOutputStream=newFileOutputStream("d:/2.txt");
//获取通道FileChanneloutChannel=fileOutputStream.getChannel();
//使用transferFrom拷贝数据，将inputChannel中数据拷贝到outChanneloutChannel.transferFrom(inputChannel, 0, inputChannel.size());
outChannel.close();
inputChannel.close();
fileInputStream.close();
fileOutputStream.close();
  }

HeapByteBufferR只读buffer的使用

HeapByteBuffer，只读Buffer，只允许从中读数据，不允许写数据，否则抛出ReadOnlyBufferException异常，案例如下：

/*** 只读buffer*/@TestpublicvoidnioOnlyRead() throwsIOException {
ByteBufferbyteBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);
for (inti=0 ; i<10 ; i++){
byteBuffer.putInt(i);   //0123456789    }
//读写转换byteBuffer.flip();
//得到一个只读buffer ,使用的是java.nio.HeapByteBufferRByteBufferreadOnlyBuffer=byteBuffer.asReadOnlyBuffer();
//java.nio.HeapByteBufferRSystem.out.println(readOnlyBuffer.getClass().getName());
while(readOnlyBuffer.hasRemaining()){
System.out.print(readOnlyBuffer.getInt());  //0123456789    }
readOnlyBuffer.putInt(10);  //ReadOnlyBufferException ,不允许写}

MappedByteBuffer 的使用

nio中引入了一种基于MappedByteBuffer操作大文件的方式，其读写性能极高，它可以基于内存实现文件的修改，这里的内存指的是“堆外内存”。

我们来做过案例，使用MappedByteBuffer来修改一个文本内容:"helloworld"把 h和w修改为大写。

@TestpublicvoidmappedByteBuffer() throwsIOException {
//随机访问文件，RW代表支持而读写,文件内容为 ：helloworldFilefile=newFile("d:/3.txt");
RandomAccessFilerandomAccessFile=newRandomAccessFile(file,"rw");
//通道FileChannelchannel=randomAccessFile.getChannel();
//得到MappedByteBuffer ： mode：读写模式， position: 映射区域的起始位置 size: 映射区域大小MappedByteBuffermappedByteBuffer=channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, file.length());
//第1个字节修改为 大 HmappedByteBuffer.put(0,(byte)'H');
//第6个字节修改为 大 WmappedByteBuffer.put(5,(byte)'W');
randomAccessFile.close();
 }

总结

本篇文件介绍了一下Java NIO 三大核心：selector ， channel ， buffer ，重点讲了Buffer的底层原理和几个小案例。

Netty入门到超神系列-Java NIO 三大核心(selector,channel,buffer)

前言

Java NIO 模型

Selector 多路复用器

Channel 通道

Buffer 缓冲区

Buffer 的理解和使用

Buffer API介绍

Bytebuffer 简单使用

写数据到文件

从文件读数据

使用NIO完成文件拷贝

使用transferFrom拷贝文件

HeapByteBufferR只读buffer的使用

MappedByteBuffer 的使用

总结

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