关于NIO

关于

Java NIO，即“New I/O”（另一说“No-Blocking I/O”）：采用内存映射文件的方式来处理输入输出：NIO将文件或文件的一段区域映射到内存中，这样就可以像访问内存一样访问文件了。

（相关内容：Java NIO Tutorial，网上资料大多来自于此）

与 IO

NIO与标准IO不同：NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作，以更加高效的方式进行文件的读写操作。

（“旧”的I/O包已经使用NIO重新实现过，“即使我们不显式的使用NIO编程，也能从中受益”）
（NIO子系统不会取代java.io包中可用的基于流的I/O类）

IO	NIO
面向流（Stream Oritented）	面向缓冲区（Buffer Oritented）
阻塞IO（Blocking IO）	非阻塞IO（None Blocking IO）
无	选择器（Selecters）

NIO 包

从JDK1.4开始提供的一系列改进的输入/输出处理，这些类都被放在java.nio包及子包下：

包名称	使用/目的
java.nio	NIO系统的顶级包，NIO系统封装了各种类型的缓冲区。
java.nio.charset	封装了字符集，并且还支持分别将字符转换为字节和字节到编码器和解码器的操作。
java.nio.charset.spi	用于支持字符集服务提供者
java.nio.channels	支持通道，这些通道本质上是打开I/O连接。
java.nio.channels.spi	用于支持频道的服务提供者
java.nio.file	提供对文件的支持
java.nio.file.spi	用于支持文件系统的服务提供者
java.nio.file.attribute	用于提供对文件属性的支持

（为什么学习NIO）

IO操作往往在两个场景下会用到：

文件I/O
网络I/O：NIO的优势体现；

【IO：同步、异步，阻塞、非阻塞】

（见IO - 同步，异步，阻塞，非阻塞（亡羊补牢篇））

NIO 组件

NIO中的所有I/O都是通过一个通道开始的。数据总是从缓冲区写入通道，并从通道读取到缓冲区：

从通道读取：创建一个缓冲区，然后请求通道读取数据；
通道写入：创建一个缓冲区，填充数据，并要求通道写入数据；

Java NIO 由以下几个核心部分组成：

“Buffer”
“Channel”
“Selector”

Channel

通道，是用于在实体和字节缓冲区之间有效传输数据的介质。它从一个实体读取数据，并将其放在缓冲区块中以供消费。 Java NIO Channel 不同于流：

既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道；但流的读写通常是单向的。
通道可以异步地读写。
通道中的数据总是要先读到一个Buffer，或者总是要从一个Buffer中写入。

“java.nio.channels”类的层次结构：

其中顶层接口：

package java.nio.channels;

import java.io.IOException;
import java.io.Closeable;

public interface Channel extends Closeable {
    // 检查通道是否打开
    public boolean isOpen();
    // 关闭通道
    public void close() throws IOException;

}

Java NIO中，主要使用的通道如下：

“FileChannel”：从文件中读写数据；
“DatagramChannel”：通过UDP读写网络中的数据；
“SocketChannel”：通过TCP读写网络中的数据；
“ServerSocketChannel”：监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel；

示例：

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.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();

Buffer

Java NIO中的Buffer用于和NIO通道进行交互：

缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

在Java NIO中使用的核心缓冲区如下：

ByteBuffer
MappedByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer

capacity、position和limit

缓冲区本质上是一块“可以写入数据，然后可以从中读取数据”的内存：这块内存被包装成“NIO Buffer”对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。
为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三个属性：

capacity：容量；
position：读写位置，即下一个值将在此进行读写；
1. 写模式：初始的position值为0，最大可为capacity-1；
2. 读模式：当将Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0；
limit：界限，即超过它进行读写是没有意义的；
1. 写模式：limit等于Buffer的capacity。
2. 读模式：当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值（已写入数据位置）；

不管Buffer处在什么模式，“capacity”的含义总是一样的；

基本用法

使用Buffer读写数据，遵循以下四个步骤：

写入数据到Buffer； // 向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据
调用“flip()”方法； // 通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式
从Buffer中读取数据； // 读模式下，可以读取之前写入到buffer的所有数据
调用“clear()”方法或者“compact()”方法； // 读完所有数据，就清空缓冲区让它可以再次被写入：clear()方法会清空整个缓冲区；compact()方法只会清除已经读过的数据

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

//create buffer with capacity of 48 bytes
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.
while (bytesRead != -1) {
   buf.flip();  //make buffer ready for read
   while(buf.hasRemaining())
   {
      System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time
   }
   buf.clear(); //make buffer ready for writing
   bytesRead = inChannel.read(buf);
}
aFile.close();

Buffer的分配：

// 分配48字节capacity的ByteBuffer
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
// 分配一个可存储1024个字符的CharBuffer
CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

向Buffer中写数据：
1. 从Channel写到Buffer：
  int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.
2. 通过Buffer的“put()”方法写到Buffer里：
  buf.put(127);
  - “put()”方法有很多版本，允许以不同的方式把数据写入到Buffer中；
从Buffer中读取数据：
1. 从Buffer读取数据到Channel：
  int bytesWritten = inChannel.write(buf); // read from buffer into channel.
2. 使用“get()”方法从Buffer中读取数据：
  byte aByte = buf.get();
  - “get”方法有很多版本，允许以不同的方式从Buffer中读取数据；

常用方法

“flip()”：准备读入：
即，将“position”设回0，并将“limit”设置成之前“position”的值。
“rewind()”：准备重新读入：
即，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（byte、char等）。
“clear()”与“compact()”：准备写入：
1. “clear()”：“position”将被设回0，“limit”被设置成 capacity的值。（Buffer被清空了，但Buffer中的数据并未清除，只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据）
  - Buffer中未读数据将“被遗忘”。
2. “compact()”：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。
  - 不会覆盖未读的数据。
“mark()”与“reset()”：
通过调用Buffer.mark()方法，可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。
“equals()”与“compareTo()”：比较两个Buffer：（剩余元素是从 position到limit之间的元素）
1. “equals()”：当满足下列条件时，表示两个Buffer相等：（只是比较Buffer的一部分，不是每一个在它里面的元素都比较。实际上，它只比较Buffer中的剩余元素）
  1. 有相同的类型（byte、char、int等）。
  2. Buffer中剩余的byte、char等的个数相等。
  3. Buffer中所有剩余的byte、char等都相同。
2. “compareTo()”：比较两个Buffer的剩余元素(byte、char等)，如果满足下列条件，则认为一个Buffer“小于”另一个Buffer：
  1. 第一个不相等的元素小于另一个Buffer中对应的元素。
  2. 所有元素都相等，但第一个Buffer比另一个先耗尽(第一个Buffer的元素个数比另一个少)。

Selector

Scatter / Gather

“scatter/gather”：用于描述从Channel中读取或者写入到Channel的操作：

分散（scatter）读取：将从Channel中读取的数据“分散（scatter）”到多个Buffer中；
```
ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);

ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };

channel.read(bufferArray);
```
read()方法按照buffer在数组中的顺序将从channel中读取的数据写入到buffer，当一个buffer被写满后，channel紧接着向另一个buffer中写。
- Scattering Reads在移动下一个buffer前，必须填满当前的buffer，这也意味着它不适用于动态消息(消息大小不固定)。
聚集（gather）写入：将多个Buffer中的数据“聚集（gather）”后发送到Channel；
```
ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);

//write data into buffers

ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };

channel.write(bufferArray);
```
write()方法会按照buffer在数组中的顺序，将数据写入到channel，注意只有position和limit之间的数据才会被写入。

与Scattering Reads相反，Gathering Writes能较好的处理动态消息。

Channel to Channel Transfers

在Java NIO中，如果两个通道中有一个是“FileChannel”，则可以直接将数据从一个channel传输到另外一个channel。

“FileChannel.transferTo()”：将数据从FileChannel传输到其他的channel中；

RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("fromFile.txt", "rw");
FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();

RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("toFile.txt", "rw");
FileChannel toChannel = toFile.getChannel();

long position = 0;
long count = fromChannel.size();

fromChannel.transferTo(position, count, toChannel);

在SoketChannel的实现中，SocketChannel只会传输此刻准备好的数据（可能不足count字节）。因此，SocketChannel可能不会将请求的所有数据(count个字节)全部传输到FileChannel中。

“FileChannel.transferFrom()”：将数据从源通道传输到FileChannel中；

RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("fromFile.txt", "rw");
FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();

RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("toFile.txt", "rw");
FileChannel toChannel = toFile.getChannel();

long position = 0;
long count = fromChannel.size();

toChannel.transferFrom(position, count, fromChannel);

SocketChannel会一直传输数据直到目标buffer被填满。

常用Channel

FileChannel

FileChannel是一个连接到文件的通道。可以通过文件通道读写文件。

FileChannel无法设置为非阻塞模式，它总是运行在阻塞模式下。

打开FileChannel：
无法直接打开一个FileChannel，需要通过使用一个“InputStream”、“OutputStream”或“RandomAccessFile”来获取一个FileChannel实例
```
RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
```
从FileChannel读取数据：
调用多个read()方法之一从FileChannel中读取数据。
```
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = inChannel.read(buf);
```
向FileChannel写数据：
调用write()方法向FileChannel中写入数据。
- FileChannel.write()是在while循环中调用的。因为无法保证write()方法一次能向FileChannel写入多少字节，因此需要重复调用write()方法，直到Buffer中已经没有尚未写入通道的字节。
```
String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());

buf.flip();

while(buf.hasRemaining()) {
	channel.write(buf);
}
```
关闭FileChannel：
用完FileChannel后必须将其关闭。
```
channel.close();
```

方法：

“position()”：通过调用“position()”方法获取FileChannel的当前位置；通过调用“position(long pos)”方法设置FileChannel的当前位置。
```
long pos = channel.position();   // 获取位置
channel.position(pos +123);   // 设置位置
```
“size()”：返回该实例所关联文件的大小。
```
long fileSize = channel.size();
```
“truncate()”：截取一个文件。截取文件时，文件将中指定长度后面的部分将被删除。
```
channel.truncate(1024);   // 截取文件的前1024个字节
```
“force()”：将通道里尚未写入磁盘的数据强制写到磁盘上。
（出于性能方面的考虑，操作系统会将数据缓存在内存中，所以无法保证写入到FileChannel里的数据一定会即时写到磁盘上。要保证这一点，需要调用force()方法。）

force()方法有一个boolean类型的参数，指明是否同时将文件元数据（权限信息等）写到磁盘上。
```
channel.force(true);
```

DatagramChannel

DatagramChannel是一个能收发UDP包的通道。

因为UDP是无连接的网络协议，所以不能像其它通道那样读取和写入。
它发送和接收的是数据包。

打开 DatagramChannel：

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));

接收数据：通过receive()方法从DatagramChannel接收数据。
- receive()方法会将接收到的数据包内容复制到指定的Buffer. 如果Buffer容不下收到的数据，多出的数据将被丢弃。
```
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
channel.receive(buf);
```
发送数据：通过send()方法从DatagramChannel发送数据。
- 不会通知你发出的数据包是否已收到，因为UDP在数据传送方面没有任何保证。
```
String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();

int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));
```
以上例子：发送一串字符到”jenkov.com”服务器的UDP端口80，但因为服务端并没有监控这个端口，所以什么也不会发生。
连接到特定的地址：可以将DatagramChannel“连接”到网络中的特定地址的。
- 由于UDP是无连接的，连接到特定地址并不会像TCP通道那样创建一个真正的连接。而是锁住DatagramChannel，让其只能从特定地址收发数据。
```
channel.connect(new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));
```
当连接后，也可以使用read()和write()方法，就像在用传统的通道一样。只是在数据传送方面没有任何保证。
```
int bytesRead = channel.read(buf);
int bytesWritten = channel.write(but);
```

SocketChannel

SocketChannel是一个连接到TCP网络套接字的通道。可以通过以下2种方式创建SocketChannel：

打开一个SocketChannel并连接到互联网上的某台服务器。
一个新连接到达ServerSocketChannel时，会创建一个SocketChannel。

打开 SocketChannel：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));

关闭 SocketChannel：
```
socketChannel.close();
```
从 SocketChannel 读取数据：调用read()方法之一
1. 首先，分配一个Buffer。从SocketChannel读取到的数据将会放到这个Buffer中。
2. 然后，调用SocketChannel.read()。该方法将数据从SocketChannel 读到Buffer中。read()方法返回的int值表示读了多少字节进Buffer里。如果返回的是-1，表示已经读到了流的末尾（连接关闭了）。
```
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = socketChannel.read(buf);
```

写入 SocketChannel：调用write()方法

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());

buf.flip();

while(buf.hasRemaining()) {
    channel.write(buf);
}

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

可以设置 SocketChannel 为非阻塞模式（non-blocking mode）。设置之后，就可以在异步模式下调用“connect()”，“read()”和“write()”了。

connect()：
如果SocketChannel在非阻塞模式下，此时调用connect()，该方法可能在连接建立之前就返回了。为了确定连接是否建立，可以调用“finishConnect()”的方法。如下：
```
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));

while(!socketChannel.finishConnect() ){
    //wait, or do something else...
}
```
write()：
非阻塞模式下，write()方法在尚未写出任何内容时可能就返回了。所以需要在循环中调用write()。
read()：
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。

非阻塞模式与选择器：
非阻塞模式与选择器（Selector）搭配会工作的更好，通过将一或多个SocketChannel注册到Selector，可以询问选择器哪个通道已经准备好了读取、写入等。Selector与SocketChannel的搭配使用会在后面详讲。

ServerSocketChannel

Java NIO非阻塞式服务器

其他

Pipe Path Files AsynchronousFileChannel

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目录

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与 IO

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（为什么学习NIO）

【IO：同步、异步，阻塞、非阻塞】

NIO 组件

Channel

Buffer

capacity、position和limit

基本用法

常用方法

Selector

Scatter / Gather

Channel to Channel Transfers

常用Channel

FileChannel

DatagramChannel

SocketChannel

非阻塞模式

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