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Java NIO 总结

1. NIO简介

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。（通道可以理解为铁路，缓冲区可以理解为火车）

2. Java NIO 与 IO 的主要区别

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

3. 缓冲区(Buffer)和通道(Channel)

Buffer

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
Buffer 就像一个数组，可以保存多个相同类型的数据。根据数据类型不同(boolean 除外) ，有以下 Buffer 常用子类：
- ByteBuffer
- CharBuffer
- ShortBuffer
- IntBuffer
- LongBuffer
- FloatBuffer
- DoubleBuffer
上述 Buffer 类他们都采用相似的方法进行管理数据，只是各自管理的数据类型不同而已。都是通过如下方法获取一个 Buffer对象：

// 创建一个容量为capacity 的 XxxBuffer 对象
static XxxBuffer allocate(int capacity)

Buffer 中的重要概念：
- 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。
- 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。
- 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
- 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

package com.zhu.nio;

import org.junit.jupiter.api.Test;

import java.nio.ByteBuffer;

/**
 * @describe: Buffer 体验
 * @author: zhuCw
 * @date: 2020/12/22 17:24
 *
 * 一、缓冲区（Buffer）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
 * 根据数据类型不同（boolean）除外，提供了响应类型的缓冲区
 * ByteBuffer
 * CharBuffer
 * ShortBuffer
 * IntBuffer
 * LongBuffer
 * FloatBuffer
 * DoubleBuffer
 * 上述缓冲区的管理方式一致，通过allocate()获取缓冲区
 *
 * 二、缓冲区存取数据的两个方法
 * put() : 存入数据到缓冲区
 * get() : 获取缓冲区中的数据
 * flip(): 切换到读模式
 *
 * 三、缓冲区的四个核心属性：
 * capacity: 容量，表示缓冲区中最大存取数据的容量，一旦声明不能改变
 * limit: 界限，表示缓冲区可以操作数据的代销。（limit后的数据不能进行读写）
 * position: 位置，表示缓冲区中正在操作数据的位置。
 * mark
 *
 *
 */
public class BufferTest {
    @Test
    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(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity());

        //2. 利用put()存入数据到缓冲区中
        System.out.println("------------put-----------");
        buf.put(str.getBytes());
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity());

        //3. 切换读取数据模式
        System.out.println("------------flip()-----------");
        buf.flip();
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(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()-----------");
        buf.flip();
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity());

        //5. rewind():可重复读
        buf.rewind();
        System.out.println("------------rewind()-----------");
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity());

        //6. clear(): 清空缓冲区，但是缓冲区的数据依然存在，处于“被遗忘状态”
        System.out.println("------------clear()-----------");
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity());
        System.out.println((char)buf.get());
    }
}

直接缓冲区与非直接缓冲区
- 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过通过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

channel

通道（Channel）：由 java.nio.channels 包定义的。Channel 表示 IO 源与目标打开的连接。Channel 类似于传统的“流”。只不过 Channel本身不能直接访问数据，Channel 只能与Buffer 进行交互。

获取通道
获取通道的一种方式是对支持通道的对象调用getChannel() 方法。支持通道的类如下：
- FileInputStream
- FileOutputStream
- RandomAccessFile
- DatagramSocket
- Socket
- ServerSocket
  获取通道的其他方式是使用 Files 类的静态方法 newByteChannel() 获取字节通道。或者通过通道的静态方法 open() 打开并返回指定通道。
通道的数据传输
- 将 Buffer 中数据写入 Channel

int bytesWritten = inChanner.write(buf);

从 Channel 读取数据到 Buffer

int bytesRead = inChanner.read(buf);

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

@Test
    public void test4() throws IOException{
        RandomAccessFile raf1 = new RandomAccessFile("1.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("2.txt", "rw");
        FileChannel channel2 = raf2.getChannel();

        channel2.write(bufs);
    }

transferFrom() 将数据从其他channer 传输到指定Channel

    FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/1.mkv"), StandardOpenOption.READ);
        FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/2.mkv"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.CREATE);
        outChannel.transferFrom(inChannel, 0, inChannel.size());
        inChannel.close();
        outChannel.close();

transferTo()将数据从源通道传输到其他 Channel

     FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/1.mkv"), StandardOpenOption.READ);
    FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/2.mkv"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.CREATE   
    inChannel.transferTo(0, inChannel.size(), outChannel);
    inChannel.close();
    outChannel.close();

字符集

 //字符集
    @Test
    public void test6() 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NIO！");
        cBuf.flip();

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

        for (int i = 0; i < 12; 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());
    }

4. 文件通道(FileChannel)

FileChannel的常用方法

利用通道完成文件的复制（非直接缓冲区）

@Test
    public void test1(){//10874-10953
        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:/1.mkv");
            fos = new FileOutputStream("d:/2.mkv");

            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));

    }

使用直接缓冲区完成文件的复制(内存映射文件)

@Test
    public void test2() throws IOException{//2127-1902-1777
        long start = System.currentTimeMillis();

        FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/1.mkv"), StandardOpenOption.READ);
        FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/2.mkv"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.CREATE);

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

5. NIO 的非阻塞式网络通信

传统的 IO 流都是阻塞式的。也就是说，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写入，该线程在此期间不能执行其他任务。因此，在完成网络通信进行 IO 操作时，由于线程会阻塞，所以服务器端必须为每个客户端都提供一个独立的线程进行处理，当服务器端需要处理大量客户端时，性能急剧下降。
Java NIO 是非阻塞模式的。当线程从某通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。因此，NIO 可以让服务器端使用一个或有限几个线程来同时处理连接到服务器端的所有客户端。
选择器(Selector)
- 选择器（Selector）是 SelectableChannle 对象的多路复用器，Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，也就是说，利用 Selector可使一个单独的线程管理多个 Channel。Selector 是非阻塞 IO 的核心。
- SelectableChannle 的结构如下图
- 选择器（Selector）的应用
SocketChannel
Java NIO中的SocketChannel是一个连接到TCP网络套接字的通道。
- 操作步骤
  - 打开 SocketChannel
  - 读写数据
  - 关闭 SocketChannel
ServerSocketChannel
Java NIO中的 ServerSocketChannel 是一个可以监听新进来的TCP连接的通道，就像标准IO中的ServerSocket一样。
DatagramChannel

package com.zhu.nio;

import org.junit.jupiter.api.Test;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Date;
import java.util.Iterator;
import java.util.Scanner;


/*
 * 一、使用 NIO 完成网络通信的三个核心：
 * 
 * 1. 通道（Channel）：负责连接
 * 		
 * 	   java.nio.channels.Channel 接口：
 * 			|--SelectableChannel
 * 				|--SocketChannel
 * 				|--ServerSocketChannel
 * 				|--DatagramChannel
 * 
 * 				|--Pipe.SinkChannel
 * 				|--Pipe.SourceChannel
 * 
 * 2. 缓冲区（Buffer）：负责数据的存取
 * 
 * 3. 选择器（Selector）：是 SelectableChannel 的多路复用器。用于监控 SelectableChannel 的 IO 状况
 * 
 */
public class TestNonBlockingNIO {
	
	//客户端
	@Test
	public void client() throws IOException{
		//1. 获取通道
		SocketChannel sChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9898));
		
		//2. 切换非阻塞模式
		sChannel.configureBlocking(false);
		
		//3. 分配指定大小的缓冲区
		ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
		
		//4. 发送数据给服务端
		Scanner scan = new Scanner(System.in);
		
		while(scan.hasNext()){
			String str = scan.next();
			buf.put((new Date().toString() + "
" + str).getBytes());
			buf.flip();
			sChannel.write(buf);
			buf.clear();
		}
		
		//5. 关闭通道
		sChannel.close();
	}

	//服务端
	@Test
	public void server() throws IOException{
		//1. 获取通道
		ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
		
		//2. 切换非阻塞模式
		ssChannel.configureBlocking(false);
		
		//3. 绑定连接
		ssChannel.bind(new InetSocketAddress(9898));
		
		//4. 获取选择器
		Selector selector = Selector.open();
		
		//5. 将通道注册到选择器上, 并且指定“监听接收事件”
		ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
		
		//6. 轮询式的获取选择器上已经“准备就绪”的事件
		while(selector.select() > 0){
			
			//7. 获取当前选择器中所有注册的“选择键(已就绪的监听事件)”
			Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
			
			while(it.hasNext()){
				//8. 获取准备“就绪”的是事件
				SelectionKey sk = it.next();
				
				//9. 判断具体是什么事件准备就绪
				if(sk.isAcceptable()){
					//10. 若“接收就绪”，获取客户端连接
					SocketChannel sChannel = ssChannel.accept();
					
					//11. 切换非阻塞模式
					sChannel.configureBlocking(false);
					
					//12. 将该通道注册到选择器上
					sChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
				}else if(sk.isReadable()){
					//13. 获取当前选择器上“读就绪”状态的通道
					SocketChannel sChannel = (SocketChannel) sk.channel();
					
					//14. 读取数据
					ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
					
					int len = 0;
					while((len = sChannel.read(buf)) > 0 ){
						buf.flip();
						System.out.println(new String(buf.array(), 0, len));
						buf.clear();
					}
				}
				
				//15. 取消选择键 SelectionKey
				it.remove();
			}
		}
	}
}

Java NIO中的DatagramChannel是一个能收发UDP包的通道。

操作步骤
- 打开 DatagramChannel
- 接收/发送数据

package com.zhu.nio;

import org.junit.jupiter.api.Test;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.DatagramChannel;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.util.Date;
import java.util.Iterator;
import java.util.Scanner;


public class TestNonBlockingNIO2 {
	
	@Test
	public void send() throws IOException{
		DatagramChannel dc = DatagramChannel.open();
		
		dc.configureBlocking(false);
		
		ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
		
		Scanner scan = new Scanner(System.in);
		
		while(scan.hasNext()){
			String str = scan.next();
			buf.put((new Date().toString() + ":
" + str).getBytes());
			buf.flip();
			dc.send(buf, new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9898));
			buf.clear();
		}
		
		dc.close();
	}
	
	@Test
	public void receive() throws IOException{
		DatagramChannel dc = DatagramChannel.open();
		
		dc.configureBlocking(false);
		
		dc.bind(new InetSocketAddress(9898));
		
		Selector selector = Selector.open();
		
		dc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
		
		while(selector.select() > 0){
			Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
			
			while(it.hasNext()){
				SelectionKey sk = it.next();
				
				if(sk.isReadable()){
					ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
					
					dc.receive(buf);
					buf.flip();
					System.out.println(new String(buf.array(), 0, buf.limit()));
					buf.clear();
				}
			}
			
			it.remove();
		}
	}

}

6. 管道(Pipe)

Java NIO 管道是2个线程之间的单向数据连接。Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会被写到sink通道，从source通道读取

向管道写数据

	//1. 获取管道
	Pipe pipe = Pipe.open();
		
	//2. 将缓冲区中的数据写入管道
	ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
	Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();
	buf.put("通过单向管道发送数据".getBytes());
	buf.flip();
	sinkChannel.write(buf);

从管道读取数据

//3. 读取缓冲区中的数据
Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();

调用source通道的read()方法来读取数据

int len = sourceChannel.read(buf);

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