Java NIO使用及原理分析 (一)

最近由于工作关系要做一些Java方面的开发，其中最重要的一块就是Java NIO（New I/O），尽管很早以前了解过一些，但并没有认真去看过它的实现原理，也没有机会在工作中使用，这次也好重新研究一下，顺便写点东西，就当是自己学习 Java NIO的笔记了。本文为NIO使用及原理分析的第一篇，将会介绍NIO中几个重要的概念。

在Java1.4之前的I/O系统中，提供的都是面向流的I/O系统，系统一次一个字节地处理数据，一个输入流产生一个字节的数据，一个输出流消费一个字节的数据，面向流的I/O速度非常慢，而在Java 1.4中推出了NIO，这是一个面向块的I/O系统，系统以块的方式处理处理，每一个操作在一步中产生或者消费一个数据库，按块处理要比按字节处理数据快的多。

在NIO中有几个核心对象需要掌握：缓冲区（Buffer）、通道（Channel）、选择器（Selector）。

缓冲区Buffer

缓冲区实际上是一个容器对象，更直接的说，其实就是一个数组，在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的； 在写入数据时，它也是写入到缓冲区中的；任何时候访问 NIO 中的数据，都是将它放到缓冲区中。而在面向流I/O系统中，所有数据都是直接写入或者直接将数据读取到Stream对象中。

在NIO中，所有的缓冲区类型都继承于抽象类Buffer，最常用的就是ByteBuffer，对于Java中的基本类型，基本都有一个具体Buffer类型与之相对应，它们之间的继承关系如下图所示：

下面是一个简单的使用IntBuffer的例子：

    import java.nio.IntBuffer;  
      
    public class TestIntBuffer {  
        public static void main(String[] args) {  
            // 分配新的int缓冲区，参数为缓冲区容量  
            // 新缓冲区的当前位置将为零，其界限(限制位置)将为其容量。它将具有一个底层实现数组，其数组偏移量将为零。  
            IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(8);  
      
            for (int i = 0; i < buffer.capacity(); ++i) {  
                int j = 2 * (i + 1);  
                // 将给定整数写入此缓冲区的当前位置，当前位置递增  
                buffer.put(j);  
            }  
      
            // 重设此缓冲区，将限制设置为当前位置，然后将当前位置设置为0  
            buffer.flip();  
      
            // 查看在当前位置和限制位置之间是否有元素  
            while (buffer.hasRemaining()) {  
                // 读取此缓冲区当前位置的整数，然后当前位置递增  
                int j = buffer.get();  
                System.out.print(j + "  ");  
            }  
      
        }  
      
    }  

在后面我们还会继续分析Buffer对象，以及它的几个重要的属性。

通道Channel

通道是一个对象，通过它可以读取和写入数据，当然了所有数据都通过Buffer对象来处理。我们永远不会将字节直接写入通道中，相反是将数据写入包含一个或者多个字节的缓冲区。同样不会直接从通道中读取字节，而是将数据从通道读入缓冲区，再从缓冲区获取这个字节。

在NIO中，提供了多种通道对象，而所有的通道对象都实现了Channel接口。它们之间的继承关系如下图所示：

使用NIO读取数据

在前面我们说过，任何时候读取数据，都不是直接从通道读取，而是从通道读取到缓冲区。所以使用NIO读取数据可以分为下面三个步骤：
1. 从FileInputStream获取Channel
2. 创建Buffer
3. 将数据从Channel读取到Buffer中

下面是一个简单的使用NIO从文件中读取数据的例子：

    import java.io.*;  
    import java.nio.*;  
    import java.nio.channels.*;  
      
    public class Program {  
        static public void main( String args[] ) throws Exception {  
            FileInputStream fin = new FileInputStream("<span style="font-family:FangSong_GB2312;">f</span>:\\<span style="font-family:FangSong_GB2312;">data</span>.txt");  
              
            // 获取通道  
            FileChannel fc = fin.getChannel();  
              
            // 创建缓冲区  
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
              
            // 读取数据到缓冲区  
            fc.read(buffer);  
              
            buffer.flip();  
              
            while (buffer.remaining()>0) {  
                byte b = buffer.get();  
                System.out.print(((char)b));  
            }  
              
            fin.close();  
        }  
    }  

使用NIO写入数据

使用NIO写入数据与读取数据的过程类似，同样数据不是直接写入通道，而是写入缓冲区，可以分为下面三个步骤：
1. 从FileInputStream获取Channel
2. 创建Buffer
3. 将数据从Channel写入到Buffer中

下面是一个简单的使用NIO向文件中写入数据的例子：

    import java.io.*;  
    import java.nio.*;  
    import java.nio.channels.*;  
      
    public class Program {  
        static private final byte message[] = { 83, 111, 109, 101, 32,  
            98, 121, 116, 101, 115, 46 };  
      
        static public void main( String args[] ) throws Exception {  
            FileOutputStream fout = new FileOutputStream( "<span style="font-family:FangSong_GB2312;">f</span>:\\<span style="font-family:FangSong_GB2312;">data</span>.txt" );  
              
            FileChannel fc = fout.getChannel();  
              
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );  
              
            for (int i=0; i<message.length; ++i) {  
                buffer.put( message[i] );  
            }  
              
            buffer.flip();  
              
            fc.write( buffer );  
              
            fout.close();  
        }  
    }