惊！一文看懂Java NIO读写文件

Java NIO(New IO)是一个可以替代标准Java IO API的IO API（从Java 1.4开始)，Java NIO提供了与标准IO不同的IO工作方式。很多小伙伴可能和我一样，对于习惯了用IO来操作文件之后，对这个日渐流行的新东西会有不少的疑惑，那么阅读本文吧，和我一起打开NIO的大门，学习NIO操作文件。

一、NIO与IO的区别

下面有一个概要的区别图，图下面会有区别的描述。

IO                NIO
    面向流            面向缓冲
    阻塞IO            非阻塞IO
       无                 选择器

Java IO中最为核心的一个概念是流（Steam），面向流的编程。流是信息的载体。IO中的一个流要么是输入流，要么是输出流，不可能同时是输入流和输出流。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。

NIO是面向缓冲，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。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。

二、NIO的核心组件

NIO的核心包含三个重要组件：

1、Channel通道

Channel可以理解为IO的Stream流，每次读取数据，都是从通道中读取，写数据也是写入到通道，直接对接Buffer缓冲区。常见的通道有FileChannel，是文件的通道，用来读取文件，本文着重将这个通道。还有DataChannel，通过UDP读写网络数据，SocketChannel通过TCP读写网络数据，ServerSocketChannel监听新进来的TCP连接，对每一个新进来的TCP连接，都会建立一个SocketChannel。

通道可以实现双向读写，比如说用RandomAccessFile类获取文件读写，调用RandomAccessFile.getChannel()方法，获取的就是读写双向的通道。代码如下两行。

RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(path.toFile(),"rw");
FileChannel fileChannel = randomAccessFile.getChannel();

下面这两种情况下获取的通道，只能单向的操作，请看代码。

FileOutputStream fos = new FileOutputStream(path.toFile());
FileChannel fileChannel1 = fos.getChannel();
FileInputStream fis = new FileInputStream(path.toFile());
FileChannel fileChannel2 = fis.getChannel();

这里分别通过字节输出流和字节输入流获取了通道，这两个通道都分别有write()和read()方法，但字节输出流创建的通道调用读取的方法时候就会报错，同理，输入流调用写的方法也会报错，什么原因呢？

原来是打开文件的权限不同导致的。从 FileInputStream 对象的getChannel( )方法获取的 FileChannel 对象是只读的，虽然FileChannel 实现了 ByteChannel 接口，看起来是双向的。但是在这样的通道上调用 write( )方法将抛出未经检查的NonWritableChannelException 异常，因为 FileInputStream 对象总是以 read-only 的权限打开文件。 

2、Buffer缓冲区

缓冲区：缓冲区实质上是一个数组。最常用的缓冲区类型是ByteBuffer，对应Java的基本类型都有一种缓冲区区：

缓冲区类型：

• ByteBuffer
• CharBuffer
• ShortBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer

类似IO中的BufferedInputStream等，NIO操作文件的核心方式就是Channel+Buffer，下面直接上一段代码，看一下缓冲区如何和通道结合起来使用。

    // 1. 获取数据源 和 目标传输地的输入输出流（此处以数据源 = 文件为例）
    FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
    FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);

    // 2. 获取数据源的输入输出通道
    FileChannel fcin = fin.getChannel();
    FileChannel fcout = fout.getChannel();

     // 3. 创建 缓冲区 对象：Buffer（共有2种方法）
     // 方法1：使用allocate()静态方法
     ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(256);
     // 上述方法创建1个容量为256字节的ByteBuffer
     // 注：若发现创建的缓冲区容量太小，则重新创建一个大小合适的缓冲区

     // 方法2：通过包装一个已有的数组来创建
     // 注：通过包装的方法创建的缓冲区保留了被包装数组内保存的数据
     ByteBuffer buff = ByteBuffer.wrap(byteArray);

     // 额外：若需将1个字符串存入ByteBuffer，则如下
     String sendString="你好,服务器. ";
     ByteBuffer sendBuff = ByteBuffer.wrap(sendString.getBytes("UTF-16"));

    // 4. 从通道读取数据到缓冲区
    // 注：若 以读取到该通道数据的末尾，则返回-1
    fcin.read(buff);

    // 5. 传出数据准备：将缓存区的读模式 转换->> 写模式
    buff.flip();

    // 6. 从缓冲区中读取数据写入到通道
    fcout.write(buff);

    // 7. 重置缓冲区
    // 目的：重用现在的缓冲区,即 不必为了每次读写都创建新的缓冲区，在再次读取之前要重置缓冲区
    // 注：不会改变缓冲区的数据，只是重置缓冲区的主要索引值
    buff.clear();

上面方法中，在声明缓冲区的时候，罗列了不同的方式，后面读写操作都是对接的缓冲区。那么中间的flip()和clear()到底是干什么的呢？下面讲解一下Buffer缓冲区的内部原理方便大家理解。

Buffer缓冲区分为三个重要的变量：

Position:

在从通道读取时，您将所读取的数据放到底层的数组中。 position 变量跟踪已经写了多少数据。更准确地说，它指定了下一个字节将放到数组的哪一个元素中。因此，如果您从通道中读三个字节到缓冲区中，那么缓冲区的 position 将会设置为3，指向数组中第四个元素。

同样，在写入通道时，您是从缓冲区中获取数据。 position 值跟踪从缓冲区中获取了多少数据。更准确地说，它指定下一个字节来自数组的哪一个元素。因此如果从缓冲区写了5个字节到通道中，那么缓冲区的 position 将被设置为5，指向数组的第六个元素。

Limit:

limit 变量表明还有多少数据需要取出(在从缓冲区写入通道时)，或者还有多少空间可以放入数据(在从通道读入缓冲区时)。

position 总是小于或者等于 limit。

Capacity:

缓冲区的 capacity 表明可以储存在缓冲区中的最大数据容量。实际上，它指定了底层数组的大小 ― 或者至少是指定了准许我们使用的底层数组的容量。limit 决不能大于 capacity。

看了上面对三个变量的描述，在看一下buffer缓冲区操作的三个方法的代码：

public final Buffer flip() {   
     limit = position;    
     position = 0;   
     mark = -1;   
     return this;   
 } 

flip()：此方法将position的值赋给了limit，将position置为0，常用在读取通道中的数据到Buffer之后，要进行写操作之前调用，此时，缓冲区的数据的长度在position的位置，将position的值赋给limit，position置为0，可以一个字节不多一个字节不少的进行写的操作，保证数据的可靠性。

public final Buffer clear() {   
    position = 0;     //设置为0
    limit = capacity;    //极限和容量相同
    mark = -1;   //取消标记
    return this;   
} 

clear()：此方法相当于给Buffer复位,但不会清除Buffer中的数据，调用这个方法使缓冲区为为新的通道读取或写入做准备。如果是写入，新的写入会覆盖旧的同一个位置的内容。

public final Buffer rewind() {
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
    }

rewind() ：使缓冲区为重新读取已包含的数据做好准备：它使限制保持不变，将位置设置为 0。和clear()类似，只是不改动限制。

以上三个方法都不对buffer内的数据作修改。

3、Selector选择器（略）

三、文件复制操作实战

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
/**
 *
 *@desc 复制文件
 */
public class Test {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 定义源文件 & 目标文件
        String infile = "C:\\copy.sql";
        String outfile = "C:\\copy.txt";

        // 1. 获取数据源 和 目标传输地的输入输出流
        FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
        FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);

        // 2. 获取数据源的输入输出通道
        FileChannel fcin = fin.getChannel();
        FileChannel fcout = fout.getChannel();

        // 3. 创建缓冲区对象，容量初始化为1024
        ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(1024);
        
        while (true) {
            // 4. 从通道读取数据 & 写入到缓冲区
            int r = fcin.read(buff);
            // 返回-1代表已读取到该通道数据的末尾，循环可以结束
            if (r == -1) {
                break;
            }
            // 5. 传出数据准备：调用flip()方法  
            buff.flip();
            
            // 6. 从 Buffer 中读取数据 & 传出数据到目标的输入通道
            fcout.write(buff);
            // 7. 复位缓冲区
            buff.clear();
          }
        }

}

以上是对NIO操作文件的一些原理和实战的讲解，对NIO感兴趣的可以看看，如有疑问，下方留言我会随时回复哦。