Java NIO

概述

NIO主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector。传统IO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择区)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道。

NIO和传统IO之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

Channel

Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的，譬如：InputStream, OutputStream.而Channel是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。 
NIO中的Channel的主要实现有：

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

分别可以对应文件IO、UDP和TCP（Server和Client）。

Buffer

NIO中的关键Buffer实现有：ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer，分别对应基本数据类型: byte, char, double, float, int, long, short。当然NIO中还有MappedByteBuffer, HeapByteBuffer, DirectByteBuffer。

Selector

Selector运行单线程处理多个Channel，如果你的应用打开了多个通道，但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如在一个聊天服务器Server端，要使用Selector, 得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有，如新的连接进来、数据接收等。

FileChannel

通过传统IO以及更改后的NIO来做对比 

　　采用FileInputStream读取文件内容：

public static void method2(){
    InputStream in = null;
    try{
        in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("src/nomal_io.txt"));

        byte [] buf = new byte[1024];
        int bytesRead = in.read(buf);
        while(bytesRead != -1) {
            for(int i=0;i<bytesRead;i++)
                System.out.print((char)buf[i]);
            bytesRead = in.read(buf);
        }
    }catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }finally{
        try{
            if(in != null){
                in.close();
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

　　对应的NIO（这里通过RandomAccessFile进行操作，当然也可以通过FileInputStream.getChannel()进行操作）

public static void method1(){
    RandomAccessFile aFile = null;
    try{
        aFile = new RandomAccessFile("src/nio.txt","rw");
        FileChannel fileChannel = aFile.getChannel();
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

        int bytesRead = fileChannel.read(buf);
        System.out.println(bytesRead);

        while(bytesRead != -1){
            buf.flip();
            while(buf.hasRemaining()){
                System.out.print((char)buf.get());
            }

            buf.compact();
            bytesRead = fileChannel.read(buf);
        }
    }catch (IOException e){
        e.printStackTrace();
    }finally{
        try{
            if(aFile != null){
                aFile.close();
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

从FileChannel的使用中，总结Buffer的使用：

• 分配空间  （ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); ）
• 写入数据到Buffer　　(int bytesRead = fileChannel.read(buf);)
• 调用filp()方法    （ buf.flip();）
• 从Buffer中读取数据    （System.out.print((char)buf.get());）
• 调用clear()方法或者compact()方法

Buffer顾名思义：缓冲区，实际上是一个容器，一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读写的数据都必须经过Buffer。如下图：

Channel --> Buffer (向Buffer中写数据）：

• 从Channel写到Buffer      fileChannel.read(buf)
• 通过Buffer的put()方法     buf.put(…)

Buffer --> Channel （从Buffer中读取数据）：

• 从Buffer读取到Channel (channel.write(buf))
• 使用get()方法从Buffer中读取数据 （buf.get()）

可以把Buffer简单地理解为一组基本数据类型的元素列表，它通过几个变量来保存这个数据的当前位置状态：capacity, position, limit, mark：

• capacity    缓冲区数组的总长度
• position    下一个要操作的数据元素的位置
• limit         缓冲区数组中不可操作的下一个元素的位置：limit<=capacity
• mark        用于记录当前position的前一个位置或者默认是0

通过ByteBuffer.allocate(11)方法创建一个11个byte的数组的缓冲区，初始状态如上图，position的位置为0，capacity和limit默认都是数组长度。写入5个字节时，变化如下图： 

这时我们需要将缓冲区中的5个字节数据写入Channel的通信信道，所以我们调用ByteBuffer.flip()方法，变化如下图所示(position设回0，并将limit设成之前的position的值)： 

这时底层操作系统就可以从缓冲区中正确读取这个5个字节数据并发送出去了。在下一次写数据之前我们再调用clear()方法，缓冲区的索引位置又回到了初始位置。

调用clear()方法：position将被设回0，limit设置成capacity，换句话说，Buffer被清空了，其实Buffer中的数据并未被清楚，只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。如果Buffer中有一些未读的数据，调用clear()方法，数据将“被遗忘”，意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过，哪些还没有。如果Buffer中仍有未读的数据，且后续还需要这些数据，但是此时想要先先写些数据，那么使用compact()方法。compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样，设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了，但是不会覆盖未读的数据。

通过调用Buffer.mark()方法，可以标记Buffer中的一个特定的position，之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。Buffer.rewind()方法将position设回0，所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变，仍然表示能从Buffer中读取多少个元素。

SocketChannel