0x6 Java系列：Java NIO？看这一篇就够了！【一】

一、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（一下简称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，所以直至数据变得可以读取之前，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

首先说一下Channel，国内大多翻译成“通道”。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

这里看名字就可以猜出个所以然来：分别可以对应文件IO、UDP和TCP（Server和Client）。下面演示的案例基本上就是围绕这4个类型的Channel进行陈述的。

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等这里先不进行陈述。

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中。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。

二、FileChannel

看完上面的陈述，对于第一次接触NIO的同学来说云里雾里，只说了一些概念，也没记住什么，更别说怎么用了。这里开始通过传统IO以及更改后的NIO来做对比，以更形象的突出NIO的用法，进而使你对NIO有一点点的了解。

传统IO vs NIO

首先，案例1是采用FileInputStream读取文件内容的：

    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();
            }
        }
    }

输出结果：（略）

案例是对应的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();
            }
        }
    }

输出结果：（略）
通过仔细对比案例1和案例2，应该能看出个大概，最起码能发现NIO的实现方式比叫复杂。有了一个大概的印象可以进入下一步了。

Buffer的使用

从案例2中可以总结出使用Buffer一般遵循下面几个步骤：

·   分配空间（ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); 还有一种allocateDirector后面再陈述）

·   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。

向Buffer中写数据：

·   从Channel写到Buffer (fileChannel.read(buf))

·   通过Buffer的put()方法（buf.put(…)）

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：

无图无真相，举例：我们通过ByteBuffer.allocate(11)方法创建了一个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。

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中的数据并未被清除，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。

三、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（案例3）：

    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（案例4）：

    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();
            }
        }
    }

输出结果：（略）

根据案例分析，总结一下SocketChannel的用法。
打开SocketChannel：

            socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("10.10.195.115",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。

文章原创作者：朱小厮