Java IO流 -- 03 Java的NIO

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• Java的NIO概述
• 使用Buffer(缓冲)
• 使用Channel(通道)
• 字符集和Charset

前面讲的输入输出流都是阻塞式的，而且这些流都是通过字节的移动来处理的，即面向流的输入输出系统至此只能处理一个字节，因此，它们的效率都不高

JDK1.4以后，Java提供了一些列改进的输入/输出处理的新功能，这些功能被成为新IO,即NIO

1.Java的NIO概述

NIO和IO有相同的作用和目的，但实现方式不同。NIO和IO最大的区别是数据打包和传输方式，IO是以流的方式处理数据，而NIO是以块的方式处理数据，即将文件或文件的一段映射到内存中，这样就像访问内存一样来访问文件了，故NIO的效率要比IO高很多。

在Java API中提供了两套NIO，一套是针对标准输入输出NIO，另一套就是网络编程NIO

面向流的IO：一次一个字节的处理数据，一个输入流产生一个字节，一个输出流就消费一个字节
面向块的IO系统：以块的形式处理数据。每一个操作都在一步中产生或消费一个数据块。按块要比按流快的多

Buffer和Channel是标准NIO中的核心对象（网络NIO中还有个Selector核心对象）。Channel是对原IO中流的模拟，任何来源和目的数据都必须通过一个Channel对象，它与传统的InputStream和OutputStream最大区别在于它提供了一个map()方法，可以直接将"一块数据"映射到内存中。
一个Buffer实质上是一个容器对象(本质是一个数组)，发给Channel的所有对象都必须先放到Buffer中；同样的，从Channel中读取的任何数据都要读到Buffer中。

2.使用Buffer(缓冲)

代表一个缓冲区，Buffer就像一个数组，它可以保存多个类型相同的数据。Buffer本身是一个抽象类。它有许多子类，ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer。最常用的ByteBuffer、CharBuffer

这些子类均为抽象类

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

注意：其中ByteBuffer还有一个子类MappedByteBuffer，它用于表示Channel将磁盘文件的部分或全部内容映射到内存中后得到的结果，该对象通常由Channel的map()方法返回

(1)Buffer中的三个重要概念：容量(capacity)、界限(limit)、位置(position)

容量(capacity)：表示该Buffer最多可以存储多少个数据，不可为负值，创建后不可更改
界限(limit)：第一个不应该被读写的缓冲区位置索引，即limit之后的区域被"封存"起来了
位置(position)：用于指明下一个可以被读写的缓冲区位置的索引

在Buffer中还支持一个可选的标记(mark, 类似于传统IO中的记录指针)，在Buffer可以用于将position直接定位到position位置处。

这几个变量的关系： 0 ≤ mark ≤ position ≤ limit ≤c apacity

已读写的区域 尚未读写的区域 无法读写的区域
┌─────────────┬──────────────┬───────────────┐
│ │ │ │
└─────────────┴──────────────┴───────────────┘
↑ ↑ ↑ ↑ ↑
0 mark positoin limit capacity

注意：Buffer的读写是从position的位置处开始的

Buffer中的重要方法：
Buffer flip(); //为读做准备。将limit置为position处，将position置为0处
Buffer clear(); //为写做准备。做将position置为0，将limit置为capacity处。Buffer中的数据还是存在的

Buffer中的其他方法：
int position(); //返回Buffer中的position的值
int limit(); //返回Buffer中的limit的值
int capacity(); //返回Buffer中的capacity的值

boolean hasRemaining() ;//position和limit之间是否还有元素可供处理
int remaining();//返回position和limit之间的元素个数

Buffer limit(int newLimit);//重新设置limit的值，并返回一个具有新的limit的缓冲区对象
Buffer position(int newPosition)；//设置Buffer的position，并返回position被修改后的Buffer对象
Buffer reset();//将position设置到mark处
Buffer rewind(); //将position设为0，并取消设置的mark

(2)Buffer的子类

其子类中都提供了两个方法，put()和get()方法。Buffer既支持对单个数据的访问，也支持对批量数据的访问(以数组为参数的)
例如CharBuffer类，put()类方法：
abstract CharBuffer put(char c)
CharBuffer put(char[] src)
CharBuffer put(char[] src, int offset, int length)
abstract char get();
abstract char get(int index);

注意：
1.使用put()和get()方法时，分为相对(通过position增加向不同的位置读写)和绝对(通过索引向不同位置读写,但不会改变position的值)
2.ByteBuffer中的独特方法
static ByteBuffer allocate(int capacity);//创建普通的Buffer对象，创建成本低但执行效率不高
static ByteBuffer allocateDirect(int capacity);//创建直接Buffer对象。创建成本高但执行效率低

// 创建Buffer
CharBuffer buff = CharBuffer.allocate(8);
System.out.println("capacity: " + buff.capacity());
System.out.println("limit: " + buff.limit());
System.out.println("position: " + buff.position());
// 放入元素
buff.put('a');
buff.put('b');
buff.put('c');
//取出元素
System.out.println("第一个元素(position=0)：" + buff.get());
System.out.println("执行clear()后，缓冲区内容并没有被清除："
            + "第三个元素为：" +  buff.get(2)); 

3.使用Channel(通道)

Channel是对原IO中流的模拟，任何来源和目的数据都必须通过一个Channel对象。通道是一种途径,借助该途径,可以用最小的总开销来访问操作系统本身的 I/O 服务。缓冲区则是通道内部用来发送和接收数据的端点。通道channel充当连接I/O服务的导管

Java为Channel接口提供了如下的实现类:
FileChannel, //处理文件的Channel
Pipe.SinkChannel,Pipe.SourceChannel //主要用于线程之间通信
SelectableChannel,
DatagramChannel, //支持UDP网络通信的Channel
ServerSocketChannel, SocketChannel //支持TCP的网络通信Channel

所有的Channel都不应该通过其构造器来直接创建，而是通过传统IO节点InputStream,OutputStream的getChannel()方法来返回对应的Channel,因为不同的节点流或得的Channel不一样。

Channel中常见的三类方法：map(), read(), write()
abstract MappedByteBuffer map(FileChannel.MapMode mode, long position, long size)
static FileChannel.MapMode PRIVATE
static FileChannel.MapMode READ_ONLY
static FileChannel.MapMode READ_WRITE

abstract int read(ByteBuffer dst);
long read(ByteBuffer[] dsts);
abstract long read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length);
abstract int read(ByteBuffer dst, long position)

abstract int write(ByteBuffer src)
long write(ByteBuffer[] srcs);
abstract long write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length);
abstract int write(ByteBuffer src, long position)

例如InputStream和OutputStream来获取的FileChannel

File f = new File("FileChannelTest.java");
// 创建FileInputStream，以该文件输入流创建FileChannel
FileChannel inChannel = new FileInputStream(f).getChannel();
// 以文件输出流创建FileBuffer，用以控制输出
FileChannel outChannel = new FileOutputStream("a.txt").getChannel();

// 将FileChannel里的全部数据映射成ByteBuffer, 即将文件的内容先放入Buffer中
MappedByteBuffer buffer = inChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY , 0 , f.length());

// 直接将buffer里的数据全部输出
outChannel.write(buffer); 

RandomAccessFile中也包含了getChannel()方法，返回的FileChannel是只读还是读写的，则取决于RandomAccessFile打开文件的模式，

File f = new File("a.txt");
// 创建一个RandomAccessFile对象
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(f, "rw");
// 获取RandomAccessFile对应的Channel
FileChannel randomChannel = raf.getChannel();//可读写的FileChannel

// 将Channel中所有数据映射成ByteBuffer, 即将文件的内容先放入Buffer中
ByteBuffer buffer = randomChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0 , f.length());
// 把Channel的记录指针移动到最后
randomChannel.position(f.length());
// 将buffer中所有数据输出
randomChannel.write(buffer);

4.字符集和Charset

Charset用来处理字节序列和字符序列(字符串)之间的转换关系，该类包含了用于创建解码器(CharsetDecode)和编码器(CharsetEncode)的方法、还提供了获取Charset所支持字符集的方法，Charset是不可变类

获取Charset所支持字符集的方法
static SortedMap availableCharsets()

创建对应的Charset对象
static Charset forName(String charsetName);//根据字符集的别名charsetName就可以创建对应的Charset对象

由Charset获取相应的编码器、解码器
abstract CharsetDecoder newDecoder();
CharBuffer decode(ByteBuffer in); //ByteBuffer->CharBuffer

abstract CharsetEncoder newEncoder();
ByteBuffer encode(CharBuffer in); //CharBuffer->ByteBuffer