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NIO基础篇：Buffer、Channel、Selector

文章目录

NIO概念
缓冲区

缓冲区类型
缓冲区基本属性
Buffer常用方法
缓冲区的数据操作
直接与非直接缓冲区

通道

通道类型
获取通道
通道的数据传输

NIO的非阻塞式网络通信

Selector
SelectionKey
示例

NIO概念

Java NIO(New IO)是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，可以替代标准的Java IO API。 NIO与原来的IO有同样的作用和目的，但是使用的方式完全不同，NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。

IO	NIO
面向流(Stream Oriented)	面向缓冲区(Buffer Oriented)
阻塞IO(Blocking IO)	非阻塞IO(Non Blocking IO)
(无)	选择器(Selectors)

缓冲区

Java NIO系统的核心在于:通道(Channel)和缓冲区 (Buffer)。通道表示打开到 IO 设备(例如:文件、套接字)的连接。若需要使用 NIO 系统，需要获取用于连接 IO 设备的通道以及用于容纳数据的缓冲区。然后操作缓冲区，对数据进行处理。

缓冲区类型

Buffer 底层维护了一个数组，可以保存多个相同类型的数据。根

据数据类型不同(boolean 除外) ，有以下 Buffer 常用子类:

ByteBuffer
CharBuffer
ShortBuffer
IntBuffer
LongBuffer
FloatBuffer
DoubleBuffer

上述 Buffer 类他们都采用相似的方法进行管理数据，只是各自管理的数据类型不同而已。

缓冲区基本属性

容量 (capacity) ：表示 Buffer 最大数据容量，缓冲区容量不能为负，并且创建后不能更改。

限制 (limit)：第一个不应该读取或写入的数据的索引，即位于 limit 后的数据不可读写。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于其容量。

位置 (position)：下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为负，并且不能大于其限制。

标记 (mark)与重置 (reset)：标记是一个索引，通过 Buffer 中的 mark() 方法指定 Buffer 中一个特定的 position，之后可以通过调用 reset() 方法恢复到这个 position。

Buffer常用方法

方法	描述
Buffer clear()	清空缓冲区并返回对缓冲区的引用
Buffer flip()	将缓冲区的界限设置为当前位置，并将当前位置充值为 0
int capacity()	返回 Buffer 的 capacity 大小
boolean hasRemaining()	判断缓冲区中是否还有元素
int limit()	返回 Buffer 的界限(limit) 的位置
Buffer limit(int n)	将设置缓冲区界限为 n, 并返回一个具有新 limit 的缓冲区对象
Buffer mark()	对缓冲区设置标记
int position()	返回缓冲区的当前位置 position
Buffer position(int n)	将设置缓冲区的当前位置为 n , 并返回修改后的 Buffer 对象
int remaining()	返回 position 和 limit 之间的元素个数
Buffer reset()	将位置 position 转到以前设置的 mark 所在的位置
Buffer rewind()	将位置设为为 0，取消设置的 mark

缓冲区的数据操作

Buffer 所有子类提供了两个用于数据操作的方法:get() 与 put() 方法

获取 Buffer 中的数据

get() :读取单个字节

get(byte[] dst):批量读取多个字节到 dst 中

get(int index):读取指定索引位置的字节(不会移动 position)
放入数据到 Buffer 中

put(byte b):将给定单个字节写入缓冲区的当前位置

put(byte[] src):将 src 中的字节写入缓冲区的当前位置

put(int index, byte b):将指定字节写入缓冲区的索引位置(不会移动 position)

直接与非直接缓冲区

ByteBuffer是一个抽象类，HeapByteBuffer和DirectByteBuffer，即字节缓冲区要么是直接的，要么是非直接的。如果为直接字节缓冲区，则Java虚拟机会尽最大努力直接在此缓冲区上执行本机 I/O 操作。也就是说，在每次调用基础操作系统的一个本机 I/O 操作之前(或之后)，虚拟机都会尽量避免将缓冲区的内容复制到中间缓冲区中(或从中间缓冲区中复制内容)。详情见《进阶篇》中的MMAP和零拷贝。

非直接缓冲区即我们常见的堆内存，使用java.nio.ByteBuffer#allocate进行申请，源码如下：

public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
	if (capacity < 0)
		throw new IllegalArgumentException();
	return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}

HeapByteBuffer(int cap, int lim) {            // package-private
	super(-1, 0, lim, cap, new byte[cap], 0);
        /*
        hb = new byte[cap];
        offset = 0;
        */
}

可以看到，申请堆内存实际上就是申请字节数组。

直接字节缓冲区可以通过调用此类的java.nio.ByteBuffer#allocateDirect方法来创建。此方法返回的缓冲区进行分配和取消分配所需成本通常高于非直接缓冲区。直接缓冲区的内容可以驻留在常规的垃圾回收堆之外，因此，它们对应用程序的内存需求量造成的影响可能并不明显。FileChannel的map()方法将文件区域直接映射到内存中来创建。该方法返回抽象类 MappedByteBuffer，它的实现类是DirectByteBuffer，即堆外内存。虽然堆外内存不受JVM管理，但是JAVA代码（堆中）中可以持有堆外内存的引用，如上述MappedByteBuffer对象。源码如下：

public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
	return new DirectByteBuffer(capacity);
}

DirectByteBuffer(int cap) {                   // package-private
	super(-1, 0, cap, cap);
  //如果是按页对齐，则还要加一个Page的大小；我们分析只pa为false的情况就好了
	boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
	int ps = Bits.pageSize();
	long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
  //预分配内存
	Bits.reserveMemory(size, cap);

	long base = 0;
	try {
  //分配内存
	base = unsafe.allocateMemory(size);
	} catch (OutOfMemoryError x) {
		Bits.unreserveMemory(size, cap);
		throw x;
	}
  //将分配的内存的所有值赋值为0
	unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
  //为address赋值，address就是分配内存的起始地址，之后的数据读写都是以它作为基准
	if (pa && (base % ps != 0)) {
		// Round up to page boundary
		address = base + ps - (base & (ps - 1));
	} else {
    //pa为false的情况，address==base
		address = base;
	}
  //创建一个Cleaner，将this和一个Deallocator对象传进去
	cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
	att = null;
}

可以看到，申请直接缓冲区时，调用了native方法Unsafe#allocateMemory，关于Cleaner和堆外内存的垃圾回收，请看参考《进阶篇》。

字节缓冲区是直接缓冲区还是非直接缓冲区可通过调用其isDirect()方法来确定。

通道

通道(Channel):由 java.nio.channels包定义的。Channel 表示 IO 源与目标打开的连接，如socketChannel代表TCP连接，DatagramChannel代表UDP连接。 Channel 类似于传统的“流”。只不过 Channel 本身不能直接访问数据，Channel 只能与 Buffer 进行交互。

通道类型

Java 为 Channel 接口提供的最主要实现类如下:

FileChannel:用于读取、写入、映射和操作文件的通道。
DatagramChannel:通过 UDP 读写网络中的数据通道。
SocketChannel:通过 TCP 读写网络中的数据。
ServerSocketChannel:可以监听新进来的 TCP 连接，对每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel。

获取通道

Java 针对支持通道的类提供了一个 getChannel() 方法。
本地IO操作
- FileInputStream/File Output Stream
- RandomAccessFile
  
  网络IO
- Socket
- ServerSocket
- DatagramSocket
在JDK1.7中的NIO.2 针对各个通道提供了静态方法open();
在JDK1.7中的NIO.2 的Files类的静态方法newByteChannel();

通道的数据传输

将 Buffer 中数据写入 Channel

int byteWritten = inChannel.write(buf)

从 Channel 读取数据到 Buffer 例如:

int byteRead = inChannel.read(buf)

NIO的非阻塞式网络通信

传统的 IO 流都是阻塞式的。也就是说，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写入，该线程在此期间不能执行其他任务。因此，在完成网络通信进行 IO 操作时，由于线程会阻塞，所以服务器端必须为每个客户端都提供一个独立的线程进行处理，当服务器端需要处理大量客户端时，性能急剧下降。
Java NIO是非阻塞模式的。当线程从某通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。因此，NIO 可以让服务器端使用一个或有限几个线程来同时处理连接到服务器端的所有客户端。

Selector

选择器(Selector) 是 SelectableChannle 对象的多路复用器，Selector可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，也就是说，利用 Selector 可使一个单独的线程管理多个 Channel。Selector 是非阻塞 IO 的核心。

selector的应用步骤如下：

创建 Selector :通过调用 Selector.open() 方法创建一个 Selector。

Selector selector = Selector.open()

向选择器注册通道:SelectableChannel.register(Selector sel, int ops)

// 创建一个socket套接字
Socket socket = new Socket(InetAddress.getByName("127.0.0.1"), 9898)
// 获取SocketChannel
SocketChannel channel = socket.getChannel();
// 创建选择器
Selector selector = Selector.open();
// 将SelectorChannel切换到非阻塞模式
channel.configureBlocking(false);
// 想selector注册channel
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

常用方法如下：

方法	描述
Set keys()	所有的 SelectionKey 集合。代表注册在该Selector上的Channel
selectedKeys()	被选择的 SelectionKey 集合。返回此Selector的已选择键集
int select()	监控所有注册的Channel，当它们中间有需要处理的 IO 操作时，该方法返回，并将对应的 SelectionKey 加入被选择的 SelectionKey 集合中，该方法返回这些 Channel 的数量。
int select(long timeout)	可以设置超时时长的 select() 操作
int selectNow()	执行一个立即返回的 select() 操作，该方法不会阻塞线程
Selector wakeup()	使一个还未返回的 select() 方法立即返回
void close()	关闭该选择器

SelectionKey

SelectionKey:表示 SelectableChannel 和 Selector 之间的注册关系。每次向选择器注册通道时就会选择一个事件(选择键)。选择键包含两个表示为整数值的操作集。操作集的每一位都表示该键的通道所支持的一类可选择操作。

可以监听的事件类型(可使用 SelectionKey 的四个常量表示):

读 : SelectionKey.OP_READ (1)
写 : SelectionKey.OP_WRITE (4)
连接:SelectionKey.OP_CONNECT (8)
接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT (16)

若注册时不止监听一个事件，则可以使用“位或”操作符连接。

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

详情请参考《进阶篇》中位运算符的相关介绍。