Java NIO学习记录-1

解释：Java NIO是java 1.4之后新出的一套IO接口，这里的的新是相对于原有标准的Java IO和Java Networking接口。NIO提供了一种完全不同的操作方式。

Java NIO: Channels and Buffers：标准的IO编程接口是面向字节流和字符流的。而NIO是面向通道和缓冲区的，数据总是从通道中读到buffer缓冲区内，或者从buffer写入到通道中。

Java NIO: Non-blocking IO：Java NIO使我们可以进行非阻塞IO操作。比如说，单线程中从通道读取数据到buffer，同时可以继续做别的事情，当数据读取到buffer中后，线程再继续处理数据。写数据也是一样的。

Java NIO: Selectors:NIO中有一个“slectors”的概念。selector可以检测多个通道的事件状态（例如：链接打开，数据到达）这样单线程就可以操作多个通道的数据。 所有这些都会在后续章节中更详细的介绍。

Channel的基础示例（Basic Channel Example）

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class Demo1 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("d:/tmp/1.txt", "rw");
        FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
        int bytesRead = inChannel.read(buf);
        while (bytesRead != -1) {
            System.out.println("Read " + bytesRead);
            buf.flip();
            while(buf.hasRemaining()){
                System.out.print((char) buf.get());
            }
            buf.clear();
            bytesRead = inChannel.read(buf);
        }
        aFile.close();
    }
}

通过RandomAccessFile得到 FileChannel  ，buf.flip()的调用。首先把数据读取到Buffer中，然后调用flip()方法。接着再把数据读取出来。

Buffer基本用法（Basic Buffer Usage）
利用Buffer读写数据，通常遵循四个步骤：

1，把数据写入buffer；
2，调用flip；
3，从Buffer中读取数据；
4，调用buffer.clear()或者buffer.compact()

当写入数据到buffer中时，buffer会记录已经写入的数据大小。当需要读数据时，通过flip()方法把buffer从写模式调整为读模式；在读模式下，可以读取所有已经写入的数据。当读取完数据后，需要清空buffer，以满足后续写入操作。清空buffer有两种方式：调用clear()或compact()方法。clear会清空整个buffer，compact则只清空已读取的数据，未被读取的数据会被移动到buffer的开始位置，写入位置则近跟着未读数据之后。

Buffer的容量，位置，上限（Buffer Capacity, Position and Limit）
buffer缓冲区实质上就是一块内存，用于写入数据，也供后续再次读取数据。这块内存被NIO Buffer管理，并提供一系列的方法用于更简单的操作这块内存。
一个Buffer有三个属性是必须掌握的，分别是：
1，capacity容量
2，position位置
3，limit限制
position和limit的具体含义取决于当前buffer的模式。

容量（Capacity）
作为一块内存，buffer有一个固定的大小，叫做capacity容量。也就是最多只能写入容量值得字节，整形等数据。一旦buffer写满了就需要清空已读数据以便下次继续写入新的数据。
位置（Position）
当写入数据到Buffer的时候需要中一个确定的位置开始，默认初始化时这个位置position为0，一旦写入了数据比如一个字节，整形数据，那么position的值就会指向数据之后的一个单元，position最大可以到capacity-1.
当从Buffer读取数据时，也需要从一个确定的位置开始。buffer从写入模式变为读取模式时，position会归零，每次读取后，position向后移动。
上限（Limit）
在写模式，limit的含义是我们所能写入的最大数据量。它等同于buffer的容量。
一旦切换到读模式，limit则代表我们所能读取的最大数据量，他的值等同于写模式下position的位置。

数据读取的上限时buffer中已有的数据，也就是limit的位置（原position所指的位置）。

Buffer Types
Java NIO有如下具体的Buffer类型：
ByteBuffer
MappedByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer
Buffer的类型代表了不同数据类型，换句话说，Buffer中的数据可以是上述的基本类型；
MappedByteBuffer稍有不同，我们会单独介绍。
分配一个Buffer（Allocating a Buffer）
为了获取一个Buffer对象，你必须先分配。每个Buffer实现类都有一个allocate()方法用于分配内存。下面看一个实例,开辟一个48字节大小的buffer：
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
开辟一个1024个字符的CharBuffer：
CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);
写入数据到Buffer（Writing Data to a Buffer）
写数据到Buffer有两种方法：
从Channel中写数据到Buffer
手动写数据到Buffer，调用put方法
下面是一个实例，演示从Channel写数据到Buffer：
 int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.
通过put写数据：
buf.put(127);    
put方法有很多不同版本，对应不同的写数据方法。例如把数据写到特定的位置，或者把一个字节数据写入buffer。看考JavaDoc文档可以查阅的更多数据。
翻转（flip()）
flip()方法可以吧Buffer从写模式切换到读模式。调用flip方法会把position归零，并设置limit为之前的position的值。 也就是说，现在position代表的是读取位置，limit标示的是已写入的数据位置。
从Buffer读取数据（Reading Data from a Buffer）
冲Buffer读数据也有两种方式。

从buffer读数据到channel
从buffer直接读取数据，调用get方法
读取数据到channel的例子：
//read from buffer into channel.
int bytesWritten = inChannel.write(buf);
调用get读取数据的例子：
byte aByte = buf.get();    
get也有诸多版本，对应了不同的读取方式。
rewind()
Buffer.rewind()方法将position置为0，这样我们可以重复读取buffer中的数据。limit保持不变。
clear() and compact()
一旦我们从buffer中读取完数据，需要复用buffer为下次写数据做准备。只需要调用clear或compact方法。
clear方法会重置position为0，limit为capacity，也就是整个Buffer清空。实际上Buffer中数据并没有清空，我们只是把标记为修改了。
如果Buffer还有一些数据没有读取完，调用clear就会导致这部分数据被“遗忘”，因为我们没有标记这部分数据未读。
针对这种情况，如果需要保留未读数据，那么可以使用compact。 因此compact和clear的区别就在于对未读数据的处理，是保留这部分数据还是一起清空。
mark() and reset()
通过mark方法可以标记当前的position，通过reset来恢复mark的位置，这个非常像canva的save和restore：
buffer.mark();
//call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.
buffer.reset();  //set position back to mark.    
equals() and compareTo()
可以用eqauls和compareTo比较两个buffer
equals()
判断两个buffer相对，需满足：
类型相同
buffer中剩余字节数相同
所有剩余字节相等
从上面的三个条件可以看出，equals只比较buffer中的部分内容，并不会去比较每一个元素。
compareTo()
compareTo也是比较buffer中的剩余元素，只不过这个方法适用于比较排序的

Java NIO发布时内置了对scatter / gather的支持。scatter / gather是通过通道读写数据的两个概念。

Scattering read指的是从通道读取的操作能把数据写入多个buffer，也就是sctters代表了数据从一个channel到多个buffer的过程。

gathering write则正好相反，表示的是从多个buffer把数据写入到一个channel中。

Scatter/gather在有些场景下会非常有用，比如需要处理多份分开传输的数据。举例来说，假设一个消息包含了header和body，我们可能会把header和body保存在不同独立buffer中，这种分开处理header与body的做法会使开发更简明。

Scattering Reads

"scattering read"是把数据从单个Channel写入到多个buffer

Java NIO: Scattering Read

用代码来表示的话如下：

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };
channel.read(bufferArray);

观察代码可以发现，我们把多个buffer写在了一个数组中，然后把数组传递给channel.read()方法。read()方法内部会负责把数据按顺序写进传入的buffer数组内。一个buffer写满后，接着写到下一个buffer中。

实际上，scattering read内部必须写满一个buffer后才会向后移动到下一个buffer，因此这并不适合消息大小会动态改变的部分，也就是说，如果你有一个header和body，并且header有一个固定的大小（比如128字节）,这种情形下可以正常工作。

"gathering write"把多个buffer的数据写入到同一个channel中，：

用代码表示的话如下：

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);
//write data into buffers
ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };
channel.write(bufferArray);

类似的传入一个buffer数组给write，内部机会按顺序将数组内的内容写进channel，这里需要注意，写入的时候针对的是buffer中position到limit之间的数据。也就是如果buffer的容量是128字节，但它只包含了58字节数据，那么写入的时候只有58字节会真正写入。因此gathering write是可以适用于可变大小的message的，这和scattering reads不同。

 SocketChannel

说完了FileChannel和Buffer, 大家应该对Buffer的用法比较了解了，这里使用SocketChannel来继续探讨NIO。NIO的强大功能部分来自于Channel的非阻塞特性，套接字的某些操作可能会无限期地阻塞。例如，对accept()方法的调用可能会因为等待一个客户端连接而阻塞；对read()方法的调用可能会因为没有数据可读而阻塞，直到连接的另一端传来新的数据。总的来说，创建/接收连接或读写数据等I/O调用，都可能无限期地阻塞等待，直到底层的网络实现发生了什么。慢速的，有损耗的网络，或仅仅是简单的网络故障都可能导致任意时间的延迟。然而不幸的是，在调用一个方法之前无法知道其是否阻塞。NIO的channel抽象的一个重要特征就是可以通过配置它的阻塞行为，以实现非阻塞式的信道。

channel.configureBlocking(false)

在非阻塞式信道上调用一个方法总是会立即返回。这种调用的返回值指示了所请求的操作完成的程度。例如，在一个非阻塞式ServerSocketChannel上调用accept()方法，如果有连接请求来了，则返回客户端SocketChannel，否则返回null。

这里先举一个TCP应用案例，客户端采用NIO实现，而服务端依旧使用BIO实现。
客户端代码：

public static void client(){
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
SocketChannel socketChannel = null;
try
{
socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("10.10.195.115",8080));
if(socketChannel.finishConnect())
{
int i=0;
while(true)
{
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
String info = "I'm "+i+++"-th information from client";
buffer.clear();
buffer.put(info.getBytes());
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()){
System.out.println(buffer);
socketChannel.write(buffer);
}
}
}
}
catch (IOException | InterruptedException e)
{
e.printStackTrace();
}
finally{
try{
if(socketChannel!=null){
socketChannel.close();
}
}catch(IOException e){
e.printStackTrace();
}
}
}

服务端代码：

public static void server(){
ServerSocket serverSocket = null;
InputStream in = null;
try
{
serverSocket = new ServerSocket(8080);
int recvMsgSize = 0;
byte[] recvBuf = new byte[1024];
while(true){
Socket clntSocket = serverSocket.accept();
SocketAddress clientAddress = clntSocket.getRemoteSocketAddress();
System.out.println("Handling client at "+clientAddress);
in = clntSocket.getInputStream();
while((recvMsgSize=in.read(recvBuf))!=-1){
byte[] temp = new byte[recvMsgSize];
System.arraycopy(recvBuf, 0, temp, 0, recvMsgSize);
System.out.println(new String(temp));
}
}
}
catch (IOException e)
{
e.printStackTrace();
}
finally{
try{
if(serverSocket!=null){
serverSocket.close();
}
if(in!=null){
in.close();
}
}catch(IOException e){
e.printStackTrace();
}
}
}

根据案例分析，总结一下SocketChannel的用法。

打开SocketChannel：

socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",8080));
关闭：

socketChannel.close();
读取数据：
String info = "I'm "+i+++"-th information from client";
buffer.clear();
buffer.put(info.getBytes());
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()){
System.out.println(buffer);
socketChannel.write(buffer);
}

注意SocketChannel.write()方法的调用是在一个while循环中的。write()方法无法保证能写多少字节到SocketChannel。所以，我们重复调用write()直到Buffer没有要写的字节为止。

非阻塞模式下,read()方法在尚未读取到任何数据时可能就返回了。所以需要关注它的int返回值，它会告诉你读取了多少字节。
TCP服务端的NIO写法
到目前为止，所举的案例中都没有涉及Selector。不要急，好东西要慢慢来。Selector类可以用于避免使用阻塞式客户端中很浪费资源的“忙等”方法。例如，考虑一个IM服务器。像QQ或者旺旺这样的，可能有几万甚至几千万个客户端同时连接到了服务器，但在任何时刻都只是非常少量的消息。
需要读取和分发。这就需要一种方法阻塞等待，直到至少有一个信道可以进行I/O操作，并指出是哪个信道。NIO的选择器就实现了这样的功能。一个Selector实例可以同时检查一组信道的I/O状态。用专业术语来说，选择器就是一个多路开关选择器，因为一个选择器能够管理多个信道上的I/O操作。然而如果用传统的方式来处理这么多客户端，使用的方法是循环地一个一个地去检查所有的客户端是否有I/O操作，如果当前客户端有I/O操作，则可能把当前客户端扔给一个线程池去处理，如果没有I/O操作则进行下一个轮询，当所有的客户端都轮询过了又接着从头开始轮询；这种方法是非常笨而且也非常浪费资源，因为大部分客户端是没有I/O操作，我们也要去检查；而Selector就不一样了，它在内部可以同时管理多个I/O，当一个信道有I/O操作的时候，他会通知Selector，Selector就是记住这个信道有I/O操作，并且知道是何种I/O操作，是读呢？是写呢？还是接受新的连接；所以如果使用Selector，它返回的结果只有两种结果，一种是0，即在你调用的时刻没有任何客户端需要I/O操作，另一种结果是一组需要I/O操作的客户端，这时你就根本不需要再检查了，因为它返回给你的肯定是你想要的。这样一种通知的方式比那种主动轮询的方式要高效得多！
要使用选择器（Selector），需要创建一个Selector实例（使用静态工厂方法open()）并将其注册（register）到想要监控的信道上（注意，这要通过channel的方法实现，而不是使用selector的方法）。最后，调用选择器的select()方法。该方法会阻塞等待，直到有一个或更多的信道准备好了I/O操作或等待超时。select()方法将返回可进行I/O操作的信道数量。现在，在一个单独的线程中，通过调用select()方法就能检查多个信道是否准备好进行I/O操作。如果经过一段时间后仍然没有信道准备好，select()方法就会返回0，并允许程序继续执行其他任务。
下面将上面的TCP服务端代码改写成NIO的方式：

public class ServerConnect
{
private static final int BUF_SIZE=1024;
private static final int PORT = 8080;
private static final int TIMEOUT = 3000;
public static void main(String[] args)
{
selector();
}
public static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException{
ServerSocketChannel ssChannel = (ServerSocketChannel)key.channel();
SocketChannel sc = ssChannel.accept();
sc.configureBlocking(false);
sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocateDirect(BUF_SIZE));
}
public static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException{
SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
long bytesRead = sc.read(buf);
while(bytesRead>0){
buf.flip();
while(buf.hasRemaining()){
System.out.print((char)buf.get());
}
System.out.println();
buf.clear();
bytesRead = sc.read(buf);
}
if(bytesRead == -1){
sc.close();
}
}
public static void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException{
ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
buf.flip();
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
while(buf.hasRemaining()){
sc.write(buf);
}
buf.compact();
}
public static void selector() {
Selector selector = null;
ServerSocketChannel ssc = null;
try{
selector = Selector.open();
ssc= ServerSocketChannel.open();
ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
ssc.configureBlocking(false);
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while(true){
if(selector.select(TIMEOUT) == 0){
System.out.println("==");
continue;
}
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while(iter.hasNext()){
SelectionKey key = iter.next();
if(key.isAcceptable()){
handleAccept(key);
}
if(key.isReadable()){
handleRead(key);
}
if(key.isWritable() && key.isValid()){
handleWrite(key);
}
if(key.isConnectable()){
System.out.println("isConnectable = true");
}
iter.remove();
}
}
}catch(IOException e){
e.printStackTrace();
}finally{
try{
if(selector!=null){
selector.close();
}
if(ssc!=null){
ssc.close();
}
}catch(IOException e){
e.printStackTrace();
}
}
}
}

下面来慢慢讲解这段代码。

ServerSocketChannel
打开ServerSocketChannel：
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
关闭ServerSocketChannel：
serverSocketChannel.close();
监听新进来的连接：
while(true){
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}
ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下，accept() 方法会立刻返回，如果还没有新进来的连接,返回的将是null。 因此，需要检查返回的SocketChannel是否是null.如：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
while (true)
{
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
if (socketChannel != null)
{
// do something with socketChannel...
}
}
Selector
Selector的创建：Selector selector = Selector.open();

为了将Channel和Selector配合使用，必须将Channel注册到Selector上，通过SelectableChannel.register()方法来实现，沿用案例5中的部分代码：

ssc= ServerSocketChannel.open();
ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
ssc.configureBlocking(false);
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。

注意register()方法的第二个参数。这是一个“interest集合”，意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件：

1. Connect
2. Accept
3. Read
4. Write
通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以，某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。

这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示：

1. SelectionKey.OP_CONNECT
2. SelectionKey.OP_ACCEPT
3. SelectionKey.OP_READ
4. SelectionKey.OP_WRITE
SelectionKey
当向Selector注册Channel时，register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性：
interest集合
ready集合
Channel
Selector
附加的对象（可选）
interest集合：就像向Selector注册通道一节中所描述的，interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合。
ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后，你会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合：
int readySet = selectionKey.readyOps();
可以用像检测interest集合那样的方法，来检测channel中什么事件或操作已经就绪。但是，也可以使用以下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：
selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();
从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下：
Channel channel = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();
可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，可以附加 与通道一起使用的Buffer，或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下：
selectionKey.attach(theObject);
Object attachedObj = selectionKey.attachment();
还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如：
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);
通过Selector选择通道
一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“读就绪”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。
下面是select()方法：
int select()
int select(long timeout)
int selectNow()
select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。
select(long timeout)和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。
selectNow()不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回（译者注：此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。）。
select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道就绪了。
一旦调用了select()方法，并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了，然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法，访问“已选择键集（selected key set）”中的就绪通道。如下所示：
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
当向Selector注册Channel时，Channel.register()方法会返回一个SelectionKey 对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道。
注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。下次该通道变成就绪时，Selector会再次将其放入已选择键集中。
SelectionKey.channel()方法返回的通道需要转型成你要处理的类型，如ServerSocketChannel或SocketChannel等。
一个完整的使用Selector和ServerSocketChannel的案例可以参考案例5的selector()方法。

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