NIO基础教程之channel、buffer（一）
一、什么是NIO?
Java NIO (New IO) 是一个替代接口（从Java 1.4开始），相对于Java传统IO接口和网络接口而言。NIO处理IO的方式和传统IO会有很大区别。标准的IO基于字节流和字符流进行操作的，而NIO是基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）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。NIO可以理解为非阻塞IO,传统的IO的read和write只能阻塞执行，线程在读写IO期间不能干其他事情，比如调用socket.read()时，如果服务器一直没有数据传输过来，线程就一直阻塞，而NIO中可以配置socket为非阻塞模式。NIO引入了选择器的概念，选择器用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个的线程可以监听多个数据通道。注意:传统IO是单向。
1.1、IO与NIO的区别
| IO | NIO |
| 面向流 | 面向缓冲区 |
| 阻塞IO | 非阻塞IO |
| 无 | 选择器 |
1.1.1、面向流与面向缓冲
Java IO和NIO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。 Java 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。
1.1.2、阻塞与非阻塞IO
Java 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。Java 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，所以直至数据变的可以读取之前，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）。
1.1.3、选择器（Selectors）
Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。
1.1.4、文件传输
传统的IO通信：磁盘→系统→程序→socket→协议引擎
NIO：磁盘→系统→socket→协议引擎
1.2、 Channel(通道)
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。 Channel相比IO中的Stream更加高效，可以异步双向传输，但是必须和buffer一起使用。
主要实现类
FileChannel，读写文件中的数据。
SocketChannel，通过TCP读写网络中的数据。
ServerSockectChannel，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。
DatagramChannel，通过UDP读写网络中的数据。
主要获取方式
1、java针对支持通道的类提供了getChannel()方法
本地io:
FileInputStreanm/FileOutputStream
RandomAccessFile
网络io:
Socket
ServerSocket
DatagramSocket
FileInputStream fis = new FileInputStream("D:\\1.jpg");
FileChannel inChannel = fis.getChannel();
2、 jdk1.7的nio2只对各个通道提供了一个静态方法open()
FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("D:\\1.jpg"), StandardOpenOption.READ);
通道之间的数据传输
１、read&write
//将 Buffer 中数据写入 Channel
outChannel.write(buff)
//从 Channel 读取数据到 Buffer
inChannel.read(buff)２、transferFrom
从源信道读取字节到这个通道的文件中。如果源通道的剩余空间小于 count 个字节，则所传输的字节数要小于请求的字节数。这种方法可能比从源通道读取并写入此通道的简单循环更有效率。
@param SRC 源通道
@param position 调动开始的文件内的位置，必须是非负的
@param count 要传输的最大字节数，必须是非负
@return 传输文件的大小（单位字节），可能为零，
public abstract long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count) throws IOException;
//复制图片，利用直接缓存区
public void test() throws Exception{
FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("D:\\1.jpg"), StandardOpenOption.READ);
FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("D:\\2.jpg"), StandardOpenOption.READ,StandardOpenOption.WRITE,StandardOpenOption.CREATE);
outChannel.transferFrom(inChannel,0, inChannel.size());
inChannel.close();
outChannel.close();
}３、transferTo
将字节从这个通道的文件传输到给定的可写字节通道。
@param position 调动开始的文件内的位置，必须是非负的
@param count 要传输的最大字节数，必须是非负
@param target 目标通道
@return 传输文件的大小（单位字节），可能为零，
public abstract long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target) throws IOException;
//复制图片，利用直接缓存区
public void test2() throws Exception{
FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("D:\\1.jpg"), StandardOpenOption.READ);
FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("D:\\3.jpg"), StandardOpenOption.READ,StandardOpenOption.WRITE,StandardOpenOption.CREATE);
inChannel.transferTo(0, inChannel.size(), outChannel);
inChannel.close();
outChannel.close();
}
1.3buffer(缓冲区)
Buffer 是一个对象， 它包含一些要写入或者刚读出的数据。 在 NIO 中加入 Buffer 对象，体现了新库与原 I/O 的一个重要区别。在面向流的 I/O 中，您将数据直接写入或者将数据直接读到 Stream 对象中。在 NIO 库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的。在写入数据时，它是写入到缓冲区中的。任何时候访问 NIO 中的数据，您都是将它放到缓冲区中。缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数组，但是也可以使用其他种类的数组。但是一个缓冲区不 仅仅 是一个数组。缓冲区提供了对数据的结构化访问，而且还可以跟踪系统的读/写进程。
这就是Buffer的大致继承体系,很多都没有罗列出来,因为主要讲解的是ByteBuffer.这里大概说一下,Buffer是一个抽象类,包括一个Buffer的最基本属性,比如,容量,位置,上界,标记.子类通过调用父类构造方法来实例化这几个参数,子类也都有各自的容量实现.比如ByteBuffer类用字节数组当缓冲区.旗下又有两个自己的实现类.
在jdk中,buffer有很多中实现,例如intBuffer,LongBuffer,ByteBuffer等,但是在NIO中实现的大多使用的是ByteBuffer,重点来看一下ByteBuffer.
Buffer的属性
容量（capacity）：缓冲区能够容纳的数据元素的最大数量。这一容量在缓冲区创建时被设定，并且永远不能被改变
上界（limit）：缓冲区的第一个不能被读或写的元素。或者说，缓冲区中现存元素的计数
位置（position）：下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的 get( )和 put( )函数更新
标记（mark）：下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的 get( )和 put( )函数更新一个备忘位置。调用 mark( )来设定 mark = postion。调用 reset( )设定 position =mark。标记在设定前是未定义的(undefined)。这四个属性之间总是遵循以下关系：0 <= mark <= position <= limit <= capacity
我们先看一个Demo，根据demo在细说
@Test
public void test006(){
try{
//1.新建缓冲区
ByteBuffer byteBuffer =ByteBuffer.allocate(10);
System.out.println("1.新建缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
//2.第一次存放HELLO 5个字节到缓冲区
String str1 = "HELLO";
byteBuffer.put(str1.getBytes());
System.out.println("2.第一次输入HELLO，缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
//3.第二次存放JM 2个字节到缓冲区
String str2 = "JM";
byteBuffer.put(str2.getBytes());
System.out.println("3.第二次输入JM，缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
//4.开启读的模式
byteBuffer.flip();
System.out.println("4.开启读模式之后，缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
//5.从缓冲区取4个字节，并标记
byte[] bytes = new byte[byteBuffer.limit()];
byteBuffer.get(bytes,0,4);//获取缓冲区数据
byteBuffer.mark();//mark是一个索引，通过此方法指定Buffer中一个特定的position
System.out.println("5.从缓冲区取4个字节写入到通道，缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
//6.将缓冲区剩余的字节取出
byteBuffer.get(bytes,byteBuffer.position(),byteBuffer.limit()-byteBuffer.position());
System.out.println("6.将缓冲区剩余的字节取出写入到通道，缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
//7.调用reset()方法恢复到mark标记的position位置
byteBuffer.reset();
System.out.println("7.调用reset()方法恢复到mark标记的位置，缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
//8.重设缓冲区以便接收更多的字节
byteBuffer.clear();
System.out.println("8.调用缓冲区的clear()，缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
输出结果：
1.新建缓冲区【position:0 Limit:10 Capacity:10】
2.第一次输入HELLO，缓冲区【position:5 Limit:10 Capacity:10】
3.第二次输入JM，缓冲区【position:7 Limit:10 Capacity:10】
4.开启读模式之后，缓冲区【position:0 Limit:7 Capacity:10】
5.从缓冲区取4个字节写入到通道，缓冲区【position:4 Limit:7 Capacity:10】
6.将缓冲区剩余的字节取出写入到通道，缓冲区【position:7 Limit:7 Capacity:10】
7.调用reset()方法恢复到mark标记的位置，缓冲区【position:4 Limit:7 Capacity:10】
8.调用缓冲区的clear()，缓冲区【position:0 Limit:10 Capacity:10】
我们首先新创建的缓冲区。出于本例子的需要，我们假设这个缓冲区的 总容量 为10个字节。 Buffer 的状态如下所示：
//1.新建缓冲区
ByteBuffer byteBuffer =ByteBuffer.allocate(10);
System.out.println("1.新建缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
1.新建缓冲区【position:0 Limit:10 Capacity:10】
回想一下 ，limit 决不能大于 capacity，此例中这两个值都被设置为 10。我们通过将它们指向数组的尾部之后(如果有第10个槽，则是第10个槽所在的位置)来说明这点。
position 设置为0。如果我们读一些数据到缓冲区中，那么下一个读取的数据就进入 slot 0 。如果我们从缓冲区写一些数据，从缓冲区读取的下一个字节就来自 slot 0
第一次读取
现在我们可以开始在新创建的缓冲区上进行读/写操作。首先从输入通道中读一些数据到缓冲区中。第一次读取得到五个字节。它们被放到数组中从 position 开始的位置，这时 position 被设置为 0。读完之后，position 就增加到 5，如下所示：
//2.第一次存放HELLO 5个字节到缓冲区
String str1 = "HELLO";
byteBuffer.put(str1.getBytes());
System.out.println("2.第一次输入HELLO，缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
2.第一次输入HELLO，缓冲区【position:5 Limit:10 Capacity:10】
我们可以看出Limit和Capacity没有改变，Position的值从0变为5。
第二次读取
在第二次读取时，我们从输入通道读取另外两个字节到缓冲区中。这两个字节储存在由 position 所指定的位置上， position 因而增加 2：
//3.第二次存放JM 2个字节到缓冲区
String str2 = "JM";
byteBuffer.put(str2.getBytes());
System.out.println("3.第二次输入JM，缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
3.第二次输入JM，缓冲区【position:7 Limit:10 Capacity:10】
我们可以看出Limit和Capacity没有改变，Position的值从5变为7。
开启读模式
现在我们要将数据写到输出通道中。在这之前，我们必须调用 flip() 方法。这个方法做两件非常重要的事：
- 它将
limit设置为当前position。- 它将
position设置为 0。
下面是在 flip 之后的缓冲区：
//4.开启读的模式
byteBuffer.flip();
System.out.println("4.开启读模式之后，缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
4.开启读模式之后，缓冲区【position:0 Limit:7 Capacity:10】
我们现在可以将数据从缓冲区写入通道了。 position 被设置为 0，这意味着我们得到的下一个字节是第一个字节。 limit 已被设置为原来的 position，这意味着它包括以前读到的所有字节，并且一个字节也不多。
第一次写入并标记
在第一次写入时，我们从缓冲区中取四个字节并将它们写入输出通道。这使得 position 增加到 4，而 limit 不变，如下所示
//5.从缓冲区取4个字节，并标记
byte[] bytes = new byte[byteBuffer.limit()];
byteBuffer.get(bytes,0,4);//获取缓冲区数据
byteBuffer.mark();//mark是一个索引，通过此方法指定Buffer中一个特定的position
System.out.println("5.从缓冲区取4个字节写入到通道，缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
5.从缓冲区取4个字节写入到通道，缓冲区【position:4 Limit:7 Capacity:10】
第二次写入
我们只剩下一个字节可写了。 limit在我们调用 flip() 时被设置为 5，并且 position 不能超过 limit。所以最后一次写入操作从缓冲区取出一个字节并将它写入输出通道。这使得 position 增加到 5，并保持 limit 不变，如下所示：
//6.将缓冲区剩余的字节取出
byteBuffer.get(bytes,byteBuffer.position(),byteBuffer.limit()-byteBuffer.position());
System.out.println("6.将缓冲区剩余的字节取出写入到通道，缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
6.将缓冲区剩余的字节取出写入到通道，缓冲区【position:7 Limit:7 Capacity:10】
重置
//7.调用reset()方法恢复到mark标记的position位置
byteBuffer.reset();
System.out.println("7.调用reset()方法恢复到mark标记的位置，缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
7.调用reset()方法恢复到mark标记的位置，缓冲区【position:4 Limit:7 Capacity:10】
clear
最后一步是调用缓冲区的 clear() 方法。这个方法重设缓冲区以便接收更多的字节。 Clear 做两种非常重要的事情：
- 它将
limit设置为与capacity相同。- 它设置
position为 0。
下图显示了在调用 clear() 后缓冲区的状态：
//8.重设缓冲区以便接收更多的字节
byteBuffer.clear();
System.out.println("8.调用缓冲区的clear()，缓冲区【position:"+byteBuffer.position()+" Limit:"+byteBuffer.limit()+" Capacity:"+byteBuffer.capacity()+"】");
8.调用缓冲区的clear()，缓冲区【position:0 Limit:10 Capacity:10】
缓冲区现在可以接收新的数据了。