Java NIO简单介绍（一）

Java NIO（ New IO） 是从Java 1.4版本开始引入的 一个新的IO API，可以替代标准的Java IO API。 NIO与原来的IO有同样的作用和目的，但是使用的方式完全不同，NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。 NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。

一、Java NIO 与 IO 的主要区别

IO	NIO
面向流(Stream Oriented)	面向缓冲区(Buffer Oriented)
阻塞IO(Blocking IO)	非阻塞IO(Non Blocking IO)
无	选择器(Selectors)

二、NIO基础概念

Java NIO系统的核心在于：通道(Channel)和缓冲区 (Buffer)。

2.1 通道（Channel）

通道表示打开到 IO 设备(例如：文件、套接字)的连接。若需要使用 NIO 系统，需要获取用于连接 IO 设备的通道以及用于容纳数据的缓冲区。然后操作缓冲区，对数据进行处理。

2.2 缓冲区（Buffer）

缓冲区是一个用于特定基本数据类型的容器。由 java.nio 包定义的，所有缓冲区都是 Buffer 抽象类的子类。

Java NIO 中的 Buffer 主要用于与 NIO 通道进行 交互，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入通道中的。

缓冲区的基本属性

1) 容量 (capacity) ： 表示 Buffer 最大数据容量，缓冲区容量不能为负，并且创 建后不能更改。
2) 限制 (limit)： 第一个不应该读取或写入的数据的索引，即位于 limit 后的数据 不可读写。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于其容量。
3) 位置 (position)： 下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为负，并且不能大于其限制。
4) 标记 (mark)与重置 (reset)： 标记是一个索引，通过 Buffer 中的 mark() 方法 指定 Buffer 中一个特定的 position，之后可以通过调用 reset() 方法恢复到这 个 position。
    标记、 位置、 限制、 容量遵守以下不变式： 0 <= mark <= position <= limit <= capacity

2.3 分散(Scatter)和聚集(Gather)

1) 分散读取（ Scattering Reads）是指从 Channel 中读取的数据“分散” 到多个 Buffer 中。按照缓冲区的顺序，从 Channel 中读取的数据依次将 Buffer 填满。
2) 聚集写入（ Gathering Writes）是指将多个Buffer 中的数据“聚集”到 Channel。按照缓冲区的顺序，写入 position 和 limit 之间的数据到 Channel 。

2.4 直接与非直接缓冲区

字节缓冲区要么是直接的，要么是非直接的。如果为直接字节缓冲区，则 Java 虚拟机会尽最大努力直接在此缓冲区上执行本机 I/O 操作。也就是说，在每次调用基础操作系统的一个本机 I/O 操作之前（或之后），虚拟机都会尽量避免将缓冲区的内容复制到中间缓冲区中（或从中间缓冲区中复制内容）。

直接字节缓冲区可以通过调用此类的 allocateDirect() 工厂方法来创建。此方法返回的缓冲区进行分配和取消分配所需成本通常高于非直接缓冲区。直接缓冲区的内容可以驻留在常规的垃圾回收堆之外，因此，它们对应用程序的内存需求量造成的影响可能并不明显。所以，建议将直接缓冲区主要分配给那些易受基础系统的本机 I/O 操作影响的大型、持久的缓冲区。一般情况下，最好仅在直接缓冲区能在程序性能方面带来明显好处时分配它们。

直接字节缓冲区还可以通过 FileChannel 的 map() 方法 将文件区域直接映射到内存中来创建。该方法返回MappedByteBuffer 。 Java 平台的实现有助于通过 JNI 从本机代码创建直接字节缓冲区。如果以上这些缓冲区中的某个缓冲区实例指的是不可访问的内存区域，则试图访问该区域不会更改该缓冲区的内容，并且将会在访问期间或稍后的某个时间导致抛出不确定的异常。

字节缓冲区是直接缓冲区还是非直接缓冲区可通过调用其 isDirect() 方法来确定。提供此方法是为了能够在性能关键型代码中执行显式缓冲区管理。

三、API 介绍

3.1 Channel 接口最主要实现类

java.nio.channels.Channel 接口：
	|--FileChannel
	|--SocketChannel
	|--ServerSocketChannel
	|--DatagramChannel

1) FileChannel：用于读取、写入、映射和操作文件的通道。
2) DatagramChannel：通过 UDP 读写网络中的数据通道。
3) SocketChannel：通过 TCP 读写网络中的数据。
4) ServerSocketChannel：可以监听新进来的 TCP 连接，对每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel。

3.2 获取通道

3.2.1 Java 针对支持通道的类提供了 getChannel() 方法

本地 IO：
	FileInputStream/FileOutputStream
	RandomAccessFile

网络IO：
	Socket
	ServerSocket
	DatagramSocket

3.2.2 在 JDK 1.7 中的 NIO.2 针对各个通道提供了静态方法 open()

3.2.3 在 JDK 1.7 中的 NIO.2 的 Files 工具类的 newByteChannel()

3.3 Buffer 常用子类

在 Java NIO 中负责数据的存取。缓冲区就是数组。用于存储不同数据类型的数据：

ByteBuffer
CharBuffer
ShortBuffer
IntBuffer
LongBuffer
FloatBuffer
DoubleBuffer

上述缓冲区的管理方式几乎一致，通过 allocate() 获取非直接缓冲区。通过 allocateDirect() 获取直接缓冲区。

3.4 Buffer 常用方法

方法	描述
Buffer clear()	清空缓冲区并返回对缓冲区的引用
Buffer flip()	将缓冲区的界限设置为当前位置，并将当前位置充值为 0
int capacity()	返回 Buffer 的 capacity 大小
boolean hasRemaining()	判断缓冲区中是否还有元素
int limit()	返回 Buffer 的界限(limit) 的位置
Buffer limit(int n)	将设置缓冲区界限为 n, 并返回一个具有新 limit 的缓冲区对象
Buffer mark()	对缓冲区设置标记
int position()	返回缓冲区的当前位置 position
Buffer position(int n)	将设置缓冲区的当前位置为 n , 并返回修改后的 Buffer 对象
int remaining()	返回 position 和 limit 之间的元素个数
Buffer reset()	将位置 position 转到以前设置的 mark 所在的位置
Buffer rewind()	将位置设为为 0， 取消设置的 mark

Buffer 所有子类提供了两个用于数据操作的方法： get() 与 put() 方法

获取 Buffer 中的数据：
    get() ：读取单个字节
    get(byte[] dst)：批量读取多个字节到 dst 中
    get(int index)：读取指定索引位置的字节(不会移动 position)
    
放入数据到 Buffer 中：
    put(byte b)：将给定单个字节写入缓冲区的当前位置
    put(byte[] src)：将 src 中的字节写入缓冲区的当前位置
    put(int index, byte b)：将指定字节写入缓冲区的索引位置(不会移动 position)

3.5 通道之间的数据传输

transferFrom() 和 transferTo()

四、测试

4.1 缓冲区

public void test1() {
	String str = "abcde";

	// 1. 分配一个指定大小的缓冲区
	ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

	System.out.println("-----------------allocate()----------------");
	System.out.println("position:" + buf.position());
	System.out.println("limit:" + buf.limit());
	System.out.println("capacity:" + buf.capacity());

	// 2. 利用 put() 存入数据到缓冲区中
	buf.put(str.getBytes());

	System.out.println("-----------------put()----------------");
	System.out.println("position:" + buf.position());
	System.out.println("limit:" + buf.limit());
	System.out.println("capacity:" + buf.capacity());

	// 3. 切换读取数据模式
	buf.flip();

	System.out.println("-----------------flip()----------------");
	System.out.println("position:" + buf.position());
	System.out.println("limit:" + buf.limit());
	System.out.println("capacity:" + buf.capacity());

	// 4. 利用 get() 读取缓冲区中的数据
	byte[] dst = new byte[buf.limit()];
	buf.get(dst);
	System.out.println(new String(dst, 0, dst.length));

	System.out.println("-----------------get()----------------");
	System.out.println("position:" + buf.position());
	System.out.println("limit:" + buf.limit());
	System.out.println("capacity:" + buf.capacity());

	// 5. rewind() : 可重复读
	buf.rewind();

	System.out.println("-----------------rewind()----------------");
	System.out.println("position:" + buf.position());
	System.out.println("limit:" + buf.limit());
	System.out.println("capacity:" + buf.capacity());

	// 6. clear() : 清空缓冲区. 但是缓冲区中的数据依然存在，但是处于“被遗忘”状态
	buf.clear();

	System.out.println("-----------------clear()----------------");
	System.out.println("position:" + buf.position());
	System.out.println("limit:" + buf.limit());
	System.out.println("capacity:" + buf.capacity());

	System.out.println((char) buf.get());

}

4.2 缓冲区标记和重置

public void test2() {
	String str = "abcde";

	ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

	buf.put(str.getBytes());

	buf.flip();

	byte[] dst = new byte[buf.limit()];
	buf.get(dst, 0, 2);
	System.out.println("读取字符：" + new String(dst, 0, 2));
	System.out.println("position:" + buf.position());

	// mark() : 标记
	buf.mark();

	buf.get(dst, 2, 2);
	System.out.println("读取字符："+new String(dst, 2, 2));
	System.out.println("position:" + buf.position());

	// reset() : 恢复到 mark 的位置
	buf.reset();
	System.out.println("position:" + buf.position());

	// 判断缓冲区中是否还有剩余数据
	if (buf.hasRemaining()) {

		// 获取缓冲区中可以操作的数量
		System.out.println("remaining："+buf.remaining());
	}
}

4.3 利用通道完成文件的复制

public void test3() {
	long start = System.currentTimeMillis();

	FileInputStream fis = null;
	FileOutputStream fos = null;
	// 1.获取通道
	FileChannel inChannel = null;
	FileChannel outChannel = null;
	try {
		fis = new FileInputStream("d:/test.jpg");
		fos = new FileOutputStream("d:/copy.jpg");

		inChannel = fis.getChannel();
		outChannel = fos.getChannel();

		// 2.分配指定大小的缓冲区
		ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

		// 3.将通道中的数据存入缓冲区中
		while (inChannel.read(buf) != -1) {
			buf.flip(); // 切换读取数据的模式
			// 4.将缓冲区中的数据写入通道中
			outChannel.write(buf);
			buf.clear(); // 清空缓冲区
		}
	} catch (IOException e) {
		e.printStackTrace();
	} finally {
		if (outChannel != null) {
			try {
				outChannel.close();
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}

		if (inChannel != null) {
			try {
				inChannel.close();
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}

		if (fos != null) {
			try {
				fos.close();
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}

		if (fis != null) {
			try {
				fis.close();
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}

	long end = System.currentTimeMillis();
	System.out.println("耗费时间为：" + (end - start));
}

4.4 使用直接缓冲区完成文件的复制

public void test4() throws IOException {
	long start = System.currentTimeMillis();

	FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/test.jpg"),
			StandardOpenOption.READ);
	FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/copy.jpg"),
			StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.READ,
			StandardOpenOption.CREATE);

	// 内存映射文件
	MappedByteBuffer inMappedBuf = inChannel.map(MapMode.READ_ONLY, 0,
			inChannel.size());
	MappedByteBuffer outMappedBuf = outChannel.map(MapMode.READ_WRITE, 0,
			inChannel.size());

	// 直接对缓冲区进行数据的读写操作
	byte[] dst = new byte[inMappedBuf.limit()];
	inMappedBuf.get(dst);
	outMappedBuf.put(dst);

	inChannel.close();
	outChannel.close();

	long end = System.currentTimeMillis();
	System.out.println("耗费时间为：" + (end - start));
	}

4.5 通道之间的数据传输

public void test5() throws IOException {
	FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/test.jpg"),
			StandardOpenOption.READ);
	FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/copy.jpg"),
			StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.READ,
			StandardOpenOption.CREATE);

	// inChannel.transferTo(0, inChannel.size(), outChannel);
	outChannel.transferFrom(inChannel, 0, inChannel.size());

	inChannel.close();
	outChannel.close();
}

4.6 分散和聚集

public void test6() throws IOException {
	RandomAccessFile raf1 = new RandomAccessFile("d:/test.txt", "rw");

	// 1. 获取通道
	FileChannel channel1 = raf1.getChannel();

	// 2. 分配指定大小的缓冲区
	ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(100);
	ByteBuffer buf2 = ByteBuffer.allocate(1024);

	// 3. 分散读取
	ByteBuffer[] bufs = { buf1, buf2 };
	channel1.read(bufs);

	for (ByteBuffer byteBuffer : bufs) {
		byteBuffer.flip();
	}

	System.out.println(new String(bufs[0].array(), 0, bufs[0].limit()));
	System.out.println("-----------------");
	System.out.println(new String(bufs[1].array(), 0, bufs[1].limit()));

	// 4. 聚集写入
	RandomAccessFile raf2 = new RandomAccessFile("d:/copy.txt", "rw");
	FileChannel channel2 = raf2.getChannel();

	channel2.write(bufs);
}

4.7 字符集

public void test7() throws IOException {
	Charset cs1 = Charset.forName("GBK");

	// 获取编码器
	CharsetEncoder ce = cs1.newEncoder();

	// 获取解码器
	CharsetDecoder cd = cs1.newDecoder();

	CharBuffer cBuf = CharBuffer.allocate(1024);
	cBuf.put("学习 JAVA NIO");
	cBuf.flip();

	// 编码
	ByteBuffer bBuf = ce.encode(cBuf);

	for (int i = 0; i < 13; i++) {
		System.out.println(bBuf.get());
	}

	// 解码
	bBuf.flip();
	CharBuffer cBuf2 = cd.decode(bBuf);
	System.out.println(cBuf2.toString());

	System.out.println("------------------------------------------------------");

	Charset cs2 = Charset.forName("GBK");
	bBuf.flip();
	CharBuffer cBuf3 = cs2.decode(bBuf);
	System.out.println(cBuf3.toString());
}