Java NIO（一）：Channel 与 Buffer

Java NIO 概述

• Java NIO 是 Java4 之后提供的一种带缓冲区、非阻塞 IO、且是双向通信的，数据是从通道到缓冲区，或从缓冲区到通道
• 它由 Channel、Buffer、Selector 这几个部分构成了核心的 API

Java IO 与 NIO 区别

• Java IO：
  • 面向流、阻塞IO、单向通信
  • 从流中读取一个或多个字节、直至读取所有字节、它不能移动流中的数据
  • 优点：如果连接少，他的延迟是最低的，因为一个线程只处理一个连接，适用于少连接且延迟低的场景，比如说数据库连接
• JavaNIO：
  • 面向缓冲、非阻塞IO、选择器、双向通信
  • 将数据读取到一个缓冲区，需要时可以在缓冲区前后移动，增加灵活性
  • 优点：阻塞业务处理但不阻塞数据接收，如果是需要管理同时成千上万个连接，这些连接每次只发送少量数据，如聊天室，适用于高并发且处理简单的场景
  • 缺点：NIO 可以使用一个或几个单线程管理多个通道（网络连接），但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂

Channel（通道）

• Channel 类似流，但又有些不同：
  • 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
• Channel 是通道的高层接口，其有几个实现类：
  • FileChannel：从文件中读写数据，但无法设置为非阻塞模式
  • DatagramChannel：能通过 UDP 读写网络中的数据
  • SocketChannel：能通过 TCP 读写网络中的数据
  • ServerSocketChannel：可以监听新进来的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

Buffer（缓冲区）

• 缓冲区本质上是一块可以读写数据的内存，这块内存被包装成了 NIO 的 Buffer 对象，并提供一组方法，用来方便的访问该块内存。
• 数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入到通道中的
• Buffer 是缓冲区的高层接口，其有几个实现类：
  • ByteBuffer、MappedByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer
  • FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer
• 通过 allocate 方法分配一个指定大小的 Buffer

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

• 新创建的 Buffer 为写模式，向 Buffer 中写数据有两种方式：
  • 从 Channel 写到 Buffer

  int bytesRead = inChannel.read(buf);
  

  • 通过 put 方法写到 Buffer

  buf.put(127);
  

• 在写模式下调用 flip() 时 Buffer 切换为读模式，从 Buffer 中读数据有两种方式：
  • 从Buffer读取数据到Channel

  int bytesWritten = inChannel.write(buf);
  

  • 通过 get 方法从 Buffer 中读取数据

  byte aByte = buf.get();
  

• 常用方法：
  • flip()：翻转缓冲区，切换输入/输出模式

  buf.put("header ".getBytes());    // 往缓冲区输入数据
  in.read(buf);      // 将数据从从通道读入缓冲区
  buf.flip();        // 翻转缓冲区
  out.write(buf);    // 输出缓冲区数据写入到通道
  

  • rewind()：将 position 设回 0，所以可以重读 Buffer 中所有数据
  • clear()：清空缓冲区，Buffer 切换回写模式，将 position 设回 0，但实际上 Buffer 中的数据并未被清除，只是标记回 0 后新写入的数据会覆盖原来的数据
  • compact()：清除已读过的数据，未读的数据会被移至缓冲区起始处，Buffer 切换回写模式，新写入的数据将从缓冲区未读数据后面写入
  • mark()：标记 Buffer 中一个特定的 position，之后可通过 reset() 方法恢复到这个 position
  • equals()：比较两个 Buffer 是否相同
    • 它必须有相同的类型（int、byte 等）
    • Buffer 中剩余的 byte、char 等个数相同
    • Buffer 中所有剩余的 byte、char 等都相同
  • compareTo()：比较两个 Buffer 大小，如满足以下条件则认为一个 Buffer 小于另一个 Buffer
    • 第一个不相等的元素小于另一个 Buffer 中对应的元素
    • 所有元素都相等，第一个 Buffer 剩余的空间小于第二个 Buffer

Buffer 的 capacity，position 和 limit

• Buffer 包含了三个属性：
  • capacity：
    • 代表 Buffer 的容量大小
    • 一旦 Buffer 满了就需要将其清空（通过读取数据或清除数据）才能继续往缓冲区里写数据
  • position：
    • 当写数据到Buffer中时 position 表示当前的位置，初始值为 0，最大值为 capacity - 1，每写入一个 byte、long 等数据时 position 会下移到下一个可写的 Buffer 单元
    • 当切换 Buffer 为读数据时，position 会被重置为 0，每读入一个 byte、long 等数据时下移到下一个可读的位置
  • limit：
    • 在写模式下，limit 表示最多能写入多少数据，等于 capacity
    • 在读模式下，limit 表示最多能读到多少数据，等于于写模式下的 position 值

示例

• 使用 Buffer 读写数据一般遵循以下四个步骤：
  • 输入数据到 Buffer
  • 调用 flip() 翻转缓冲区为输出模式
  • 将 Buffer 中数据输出
  • 调用 clear() 方法或者 compact() 方法清空缓冲区

可以通过 RandomAccessFile 对象的 getChannel 方法获取 Channel，因为数据无论如何变化终究还是以字节形式存储

try (RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("/Users/linyuan/Documents/字目录.txt", "rw")) {
    // 获取通道 Channel
    FileChannel fileChannel = raf.getChannel();
    // 创建缓冲区 Buffer
    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(52);
    // 将通道的数据读入缓冲区
    int bytesRead = fileChannel.read(byteBuffer);
    while (bytesRead != -1) {
        // 切换缓冲区模式
        byteBuffer.flip();
        // 读取缓冲区字节
        while (byteBuffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) byteBuffer.get());
        }
        byteBuffer.clear();
        bytesRead = fileChannel.read(byteBuffer);
    }
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
}