Java网络编程与NIO详解4：浅析NIO包中的Buffer、Channel 和 Selector

转自https://www.javadoop.com/post/nio-and-aio

本文将介绍 Java NIO 中三大组件 Buffer、Channel、Selector 的使用。

本来要一起介绍非阻塞 IO 和 JDK7 的异步 IO 的，不过因为之前的文章真的太长了，有点影响读者阅读，所以这里将它们放到另一篇文章中进行介绍。

• Buffer
  • position、limit、capacity
  • 初始化 Buffer
  • 填充 Buffer
  • 提取 Buffer 中的值
  • mark() & reset()%20%26%20reset())
  • rewind() & clear() & compact()%20%26%20clear()%20%26%20compact())
• Channel
  • FileChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel
  • DatagramChannel
• Selector
• 小结

Buffer

一个 Buffer 本质上是内存中的一块，我们可以将数据写入这块内存，之后从这块内存获取数据。

java.nio 定义了以下几个 Buffer 的实现，这个图读者应该也在不少地方见过了吧。

其实核心是最后的 ByteBuffer，前面的一大串类只是包装了一下它而已，我们使用最多的通常也是 ByteBuffer。

我们应该将 Buffer 理解为一个数组，IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分别对应 int[]、char[]、double[] 等。

MappedByteBuffer 用于实现内存映射文件，也不是本文关注的重点。

我觉得操作 Buffer 和操作数组、类集差不多，只不过大部分时候我们都把它放到了 NIO 的场景里面来使用而已。下面介绍 Buffer 中的几个重要属性和几个重要方法。

position、limit、capacity

就像数组有数组容量，每次访问元素要指定下标，Buffer 中也有几个重要属性：position、limit、capacity。

最好理解的当然是 capacity，它代表这个缓冲区的容量，一旦设定就不可以更改。比如 capacity 为 1024 的 IntBuffer，代表其一次可以存放 1024 个 int 类型的值。一旦 Buffer 的容量达到 capacity，需要清空 Buffer，才能重新写入值。

position 和 limit 是变化的，我们分别看下读和写操作下，它们是如何变化的。

position 的初始值是 0，每往 Buffer 中写入一个值，position 就自动加 1，代表下一次的写入位置。读操作的时候也是类似的，每读一个值，position 就自动加 1。

从写操作模式到读操作模式切换的时候（flip），position 都会归零，这样就可以从头开始读写了。

Limit：写操作模式下，limit 代表的是最大能写入的数据，这个时候 limit 等于 capacity。写结束后，切换到读模式，此时的 limit 等于 Buffer 中实际的数据大小，因为 Buffer 不一定被写满了。

初始化 Buffer

每个 Buffer 实现类都提供了一个静态方法 allocate(int capacity) 帮助我们快速实例化一个 Buffer。如：

ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
IntBuffer intBuf = IntBuffer.allocate(1024);
LongBuffer longBuf = LongBuffer.allocate(1024);
// ...

另外，我们经常使用 wrap 方法来初始化一个 Buffer。

public static ByteBuffer wrap(byte[] array) {
    ...
}

填充 Buffer

各个 Buffer 类都提供了一些 put 方法用于将数据填充到 Buffer 中，如 ByteBuffer 中的几个 put 方法：

// 填充一个 byte 值
public abstract ByteBuffer put(byte b);
// 在指定位置填充一个 int 值
public abstract ByteBuffer put(int index, byte b);
// 将一个数组中的值填充进去
public final ByteBuffer put(byte[] src) {...}
public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length) {...}

上述这些方法需要自己控制 Buffer 大小，不能超过 capacity，超过会抛 java.nio.BufferOverflowException 异常。

对于 Buffer 来说，另一个常见的操作中就是，我们要将来自 Channel 的数据填充到 Buffer 中，在系统层面上，这个操作我们称为读操作，因为数据是从外部（文件或网络等）读到内存中。

int num = channel.read(buf);

上述方法会返回从 Channel 中读入到 Buffer 的数据大小。

提取 Buffer 中的值

前面介绍了写操作，每写入一个值，position 的值都需要加 1，所以 position 最后会指向最后一次写入的位置的后面一个，如果 Buffer 写满了，那么 position 等于 capacity（position 从 0 开始）。

如果要读 Buffer 中的值，需要切换模式，从写入模式切换到读出模式。注意，通常在说 NIO 的读操作的时候，我们说的是从 Channel 中读数据到 Buffer 中，对应的是对 Buffer 的写入操作，初学者需要理清楚这个。

调用 Buffer 的 flip() 方法，可以从写入模式切换到读取模式。其实这个方法也就是设置了一下 position 和 limit 值罢了。

public final Buffer flip() {
    limit = position; // 将 limit 设置为实际写入的数据数量
    position = 0; // 重置 position 为 0
    mark = -1; // mark 之后再说
    return this;
}

对应写入操作的一系列 put 方法，读操作提供了一系列的 get 方法：

// 根据 position 来获取数据
public abstract byte get();
// 获取指定位置的数据
public abstract byte get(int index);
// 将 Buffer 中的数据写入到数组中
public ByteBuffer get(byte[] dst)

附一个经常使用的方法：

new String(buffer.array()).trim();

当然了，除了将数据从 Buffer 取出来使用，更常见的操作是将我们写入的数据传输到 Channel 中，如通过 FileChannel 将数据写入到文件中，通过 SocketChannel 将数据写入网络发送到远程机器等。对应的，这种操作，我们称之为写操作。

int num = channel.write(buf);

mark() & reset()

除了 position、limit、capacity 这三个基本的属性外，还有一个常用的属性就是 mark。

mark 用于临时保存 position 的值，每次调用 mark() 方法都会将 mark 设值为当前的 position，便于后续需要的时候使用。

public final Buffer mark() {
    mark = position;
    return this;
}

那到底什么时候用呢？考虑以下场景，我们在 position 为 5 的时候，先 mark() 一下，然后继续往下读，读到第 10 的时候，我想重新回到 position 为 5 的地方重新来一遍，那只要调一下 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()：会重置 position 为 0，通常用于重新从头读写 Buffer。

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

clear()：有点重置 Buffer 的意思，相当于重新实例化了一样。

通常，我们会先填充 Buffer，然后从 Buffer 读取数据，之后我们再重新往里填充新的数据，我们一般在重新填充之前先调用 clear()。

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

compact()：和 clear() 一样的是，它们都是在准备往 Buffer 填充新的数据之前调用。

前面说的 clear() 方法会重置几个属性，但是我们要看到，clear() 方法并不会将 Buffer 中的数据清空，只不过后续的写入会覆盖掉原来的数据，也就相当于清空了数据了。

而 compact() 方法有点不一样，调用这个方法以后，会先处理还没有读取的数据，也就是 position 到 limit 之间的数据（还没有读过的数据），先将这些数据移到左边，然后在这个基础上再开始写入。很明显，此时 limit 还是等于 capacity，position 指向原来数据的右边。

Channel

所有的 NIO 操作始于通道，通道是数据来源或数据写入的目的地，主要地，我们将关心 java.nio 包中实现的以下几个 Channel：

• FileChannel：文件通道，用于文件的读和写
• DatagramChannel：用于 UDP 连接的接收和发送
• SocketChannel：把它理解为 TCP 连接通道，简单理解就是 TCP 客户端
• ServerSocketChannel：TCP 对应的服务端，用于监听某个端口进来的请求

这里不是很理解这些也没关系，后面介绍了代码之后就清晰了。还有，我们最应该关注，也是后面将会重点介绍的是 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。

Channel 经常翻译为通道，类似 IO 中的流，用于读取和写入。它与前面介绍的 Buffer 打交道，读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。

至少读者应该记住一点，这两个方法都是 channel 实例的方法。

FileChannel

我想文件操作对于大家来说应该是最熟悉的，不过我们在说 NIO 的时候，其实 FileChannel 并不是关注的重点。而且后面我们说非阻塞的时候会看到，FileChannel 是不支持非阻塞的。

这里算是简单介绍下常用的操作吧，感兴趣的读者瞄一眼就是了。

初始化：

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

当然了，我们也可以从 RandomAccessFile#getChannel 来得到 FileChannel。

读取文件内容：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

int num = fileChannel.read(buffer);

前面我们也说了，所有的 Channel 都是和 Buffer 打交道的。

写入文件内容：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("随机写入一些内容到 Buffer 中".getBytes());
// Buffer 切换为读模式
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()) {
    // 将 Buffer 中的内容写入文件
    fileChannel.write(buffer);
}

SocketChannel

我们前面说了，我们可以将 SocketChannel 理解成一个 TCP 客户端。虽然这么理解有点狭隘，因为我们在介绍 ServerSocketChannel 的时候会看到另一种使用方式。

打开一个 TCP 连接：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80));

当然了，上面的这行代码等价于下面的两行：

// 打开一个通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 发起连接
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80));

SocketChannel 的读写和 FileChannel 没什么区别，就是操作缓冲区。

// 读取数据
socketChannel.read(buffer);

// 写入数据到网络连接中
while(buffer.hasRemaining()) {
    socketChannel.write(buffer);   
}

不要在这里停留太久，先继续往下走。

ServerSocketChannel

之前说 SocketChannel 是 TCP 客户端，这里说的 ServerSocketChannel 就是对应的服务端。

ServerSocketChannel 用于监听机器端口，管理从这个端口进来的 TCP 连接。

// 实例化
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 监听 8080 端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));

while (true) {
    // 一旦有一个 TCP 连接进来，就对应创建一个 SocketChannel 进行处理
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}

这里我们可以看到 SocketChannel 的第二个实例化方式

到这里，我们应该能理解 SocketChannel 了，它不仅仅是 TCP 客户端，它代表的是一个网络通道，可读可写。

ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了，因为它并不实际处理数据，它一旦接收到请求后，实例化 SocketChannel，之后在这个连接通道上的数据传递它就不管了，因为它需要继续监听端口，等待下一个连接。

DatagramChannel

UDP 和 TCP 不一样，DatagramChannel 一个类处理了服务端和客户端。

科普一下，UDP 是面向无连接的，不需要和对方握手，不需要通知对方，就可以直接将数据包投出去，至于能不能送达，它是不知道的

监听端口：

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

channel.receive(buf);

发送数据：

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 三大组件就剩 Selector 了，Selector 建立在非阻塞的基础之上，大家经常听到的 多路复用 在 Java 世界中指的就是它，用于实现一个线程管理多个 Channel。

读者在这一节不能消化 Selector 也没关系，因为后续在介绍非阻塞 IO 的时候还得说到这个，这里先介绍一些基本的接口操作。

1. 首先，我们开启一个 Selector。你们爱翻译成选择器也好，多路复用器也好。

   Selector selector = Selector.open();
   

2. 将 Channel 注册到 Selector 上。前面我们说了，Selector 建立在非阻塞模式之上，所以注册到 Selector 的 Channel 必须要支持非阻塞模式，FileChannel 不支持非阻塞，我们这里讨论最常见的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。

   // 将通道设置为非阻塞模式，因为默认都是阻塞模式的
   channel.configureBlocking(false);
   // 注册
   SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
   

   register 方法的第二个 int 型参数（使用二进制的标记位）用于表明需要监听哪些感兴趣的事件，共以下四种事件：

   • SelectionKey.OP_READ

     对应 00000001，通道中有数据可以进行读取

   • SelectionKey.OP_WRITE

     对应 00000100，可以往通道中写入数据

   • SelectionKey.OP_CONNECT

     对应 00001000，成功建立 TCP 连接

   • SelectionKey.OP_ACCEPT

     对应 00010000，接受 TCP 连接

   我们可以同时监听一个 Channel 中的发生的多个事件，比如我们要监听 ACCEPT 和 READ 事件，那么指定参数为二进制的 00010001 即十进制数值 17 即可。

   注册方法返回值是 SelectionKey 实例，它包含了 Channel 和 Selector 信息，也包括了一个叫做 Interest Set 的信息，即我们设置的我们感兴趣的正在监听的事件集合。

3. 调用 select() 方法获取通道信息。用于判断是否有我们感兴趣的事件已经发生了。

Selector 的操作就是以上 3 步，这里来一个简单的示例，大家看一下就好了。之后在介绍非阻塞 IO 的时候，会演示一份可执行的示例代码。

Selector selector = Selector.open();

channel.configureBlocking(false);

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

while(true) {
  // 判断是否有事件准备好
  int readyChannels = selector.select();
  if(readyChannels == 0) continue;

  // 遍历
  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();
  }
}

对于 Selector，我们还需要非常熟悉以下几个方法：

1. select()

   调用此方法，会将上次 select 之后的准备好的 channel 对应的 SelectionKey 复制到 selected set 中。如果没有任何通道准备好，这个方法会阻塞，直到至少有一个通道准备好。

2. selectNow()

   功能和 select 一样，区别在于如果没有准备好的通道，那么此方法会立即返回 0。

3. select(long timeout)

   看了前面两个，这个应该很好理解了，如果没有通道准备好，此方法会等待一会

4. wakeup()

   这个方法是用来唤醒等待在 select() 和 select(timeout) 上的线程的。如果 wakeup() 先被调用，此时没有线程在 select 上阻塞，那么之后的一个 select() 或 select(timeout) 会立即返回，而不会阻塞，当然，它只会作用一次。

小结

到此为止，介绍了 Buffer、Channel 和 Selector 的常见接口。

Buffer 和数组差不多，它有 position、limit、capacity 几个重要属性。put() 一下数据、flip() 切换到读模式、然后用 get() 获取数据、clear() 一下清空数据、重新回到 put() 写入数据。

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 用于实现非阻塞 IO，这里仅仅介绍接口使用，后续请关注非阻塞 IO 的介绍。

（全文完）

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