Java NIO （一）简介

1 NIO简介

        在1.4版本之前，Java NIO类库是阻塞IO，从1.4版本开始，引进了新的异步IO库，被称为Java New IO类库，简称为Java NIO。New IO类库的目的 就是要让Java支持非阻塞IO。

        Java NIO类库包含三个核心组件：

        1、Channel（通道）

        2、Buffer（缓冲区）

        3、Selector（选择器）

        理解了上一章高并发IO底层原理，大家会马上识别出来Java NIO属于第三种模型——IO多路复用模型。只不过，Java NIO组件提供了统一的API，为大家屏蔽了底层的操作系统的差异。

        本章，会对上面3个组件展开详细介绍。首先看一下Java NIO和OIO的简单对比。

1.1 NIO和OIO的对比

        在Java中，NIO和OIO的区别主要体现在三个地方：

        1、OIO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。在一般的OIO操作中，面向字节流或字符流的IO操作总是以流式的方式顺序地从一个流（Stream）中读取一个或多个字节，因此，我们不能随意改变读取指针的位置。在NIO操作中则不同，NIO中引入了Channel和Buffer的概念。面向缓冲区的读取和写入只需要从通道读取数据到缓冲区中，或将数据从缓冲区写入到通道中。NIO不像OIO那样顺序操作，它可以随意读取Buffer中任意位置的数据。

        2、OIO的操作是阻塞的，而NIO是非阻塞的。OIO操作时，例如调用一个read方法读取一个文件的内容，调用read的线程就会被阻塞，直到read操作完成。在NIO模式中，当调用read方法时，如果此时有数据，则read读取数据并返回，如果此时没有数据，则read也返回直接返回，而不会阻塞当前线程。

        3、OIO没有选择器（Selector）的概念，而NIO有选择器的概念。NIO的实现是基于底层选择器的系统调用的，所以NIO需要底层操作系统提供支持，而OIO不需要选择器。

1.2 通道

        在OIO中，同一个网络连接会关联两个流：一个是输入流（Input Stream）,另一个是输出流（Output Stream）。Java应用程序通过这两个流不断地进行输入和输出的操作。

        在NIO中，一个网络连接使用一个通道表示，所有NIO的IO操作都是通过连接通道完成的。一个通道类似于OIO中两个流的结合体，既可以从通道读取数据，也可以向通道写入数据。

1.3 选择器

        首先回顾一下前面介绍的基础知识——IO多路复用（高并发IO底层原理）指的是一个进程/线程可以同时监视多个文件描述符（含socket连接），一旦其中的一个或多个文件描述符可读或者可写，该监听进程/线程就能够进行IO就绪事件的查询。

        在Java应用层面，如何实现对多个文件描述符的监视呢？需要用到一个非常重要的Java NIO组件——选择器。选择器可以理解为一个IO事件的监听与查询器。通过选择器，一个线程可以查询多个通道的IO事件的就绪状态。

        从编程实现维度来说，IO多路复用变成的第一步是把通道注册到选择器中，第二步是通过选择器所提供的事件查询（select）方法来查询这些注册的通道是否有已经就绪的IO事件（例如可读、可写、网络连接完成等）。

        由于一个选择器只需要一个线程进行监控，因此我们可以很简单地使用一个线程，通过选择器去管理多个连接通道。

        与OIO相比，NIO使用选择器的最大优势就是系统开销小。系统不必为每一个网络连接（文件描述符）创建进程/线程,从而大大减少了系统的开销。总之，一个线程负责多个连接通道的IO处理是非常高效的，这种高效来自Java的选择器组件Selector及其底层的操作系统IO多路复用技术的支持。

1.4 缓冲区

        应用程序与通道的交互主要是进行数据的读取和写入。为了完成NIO的非阻塞读写操作，NIO准备了第三个重要的组件——Buffer。所谓通道的读取，就是将数据从通道读取到缓冲区中；通道的写入，就是将数据从缓冲区写入通道中。缓冲区的使用是面向流进行读写操作的OIO所没有的，也就是NIO非阻塞的重要前提和基础之一。

2 Buffer类

        Buffer类是一个抽象类，对应于Java的主要数据类型。在NIO中，有8种缓冲区类，分别是ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer、MappedByteBuffer。前7种Buffer类型覆盖了能在IO中传输的所有Java基本数据类型，第8种类型是一种专门用于内存映射的ByteBuffer类型。不同的Buffer子类可以操作的数据类型能够通过名称进行判断，比如IntBuffer只能操作Integer类型的对象。

        实际上，使用最多的是ByteBuffer(二进制字节缓冲区)类型，后面的章节会看到它的具体使用。

2.1 Buffer类的重要属性

        Buffer的子类会拥有一块内存，作为数据的读写缓冲区，但是读写缓冲区并没有定义在Buffer基类中，而是定义在具体的子类中。例如，ByteBuffer子类就拥有一个byte[]类型的数组成员

final byte[] hb; 

可以作为自己的读写缓冲区，数据的元素类型与Buffer子类的操作类型相对应。为了记录读写的状态和位置，Buffer类额外提供了一些重要的属性，其中有三个重要的成员属性：capacity(容量)、position（读写位置）和limit（读写的限制）。

        1、capacity属性

        Buffer类的capacity属性表示内存容量的大小。一旦写入的对象数量超过了capacity，缓冲区就满了，不能在写入。capacity属性一旦初始化，就不能再改变。原因是什么呢？Buffer类的对象在初始化时会按照capacity分配内部数组的内存，在数据内存分配好之后，它的大小就不能改变了。前面讲到，Buffer类是一个抽象类，Java不能直接用来创建对象。在具体使用的时候，必须使用Buffer的某个子类，例如DoubleBuffer子类，该子类能写入的数据类型是double，如果在创建实例时，其capacity是100，那么最多可以写入100个double类型的数据。

        【注意】capacity不是指内部的内存块byte[]数组的字节数量，而是指能写入的数据对象的最大限制数量。

        2、position属性

        position表示当前的位置。position属性的值与缓冲区的读写模式有关，在不同的模式下，position属性值的含义是不同的，在缓冲区进行读写的模式改变时，position值会进行相应的调整。

        在写模式下，position值的变化规则如下：

        （1）在刚进入写模式时，position值为0，表示当前的写入位置从头开始。

        （2）每当一个数据写到缓冲区后，position就会向后移动到下一个可写的位置。

        （3）初始的position值为0，最大可写值为limit-1。当position值达到limit时，缓冲区就已经无可用空间写入了。

        在读模式下，position值的变化规则如下：

        （1）当缓冲区刚开始进入读模式时，position会被重置为0.

        （2）当从缓冲区读取时，也是从position位置开始读。读取数据后，position向前移动到下一个可读的位置。

        （3）在读模式下，limit表示可读数据的上线。position的最大值为最大可读上线limit，当position达到limit时表示缓冲区已经无数据可读。

        Buffer的读写模式具体如何切换呢？当新建了一个缓冲区实例时，缓冲区处于写模式，这时可以写入数据。在数据写入完成后，如果要从缓冲区读取数据，就要进行模式的切换，可以调用flip()方法将缓冲区变成读模式，flip为翻转的意思。再从写模式到读模式的翻转过程中，position和limit属性值会进行调整，具体的规则是：

        （1）limit属性被设置成写模式时的position值，表示可以读取的最大数据位置。

        （2）position由原来的写入位置变成新的可读位置，也就是0，表示可以从头开始读。

        3、limit属性

        limit属性表示可以写入或读取的数据最大上限，其属性值的具体含义也与缓冲区的读写模式有关。在不同的模式下，limit值的含义是不同的，具体分为以下两种情况。

        （1）在写模式下，limit属性值的含义为可以写入的数据最大上限。在刚进入写模式时，limit的值会被设置成缓冲区的capacity值，表示可以一直将缓冲区的容量写满。

        （2）在读模式下，limit值的含义为最大能从缓冲区读取多少数据。

        一般来说，在进行缓冲区操作时是先写入再读取。当缓冲区写入完成后，就可以开始从Buffer读取数据，调用flip()方法，这时limit的值也会进行调整。具体如何调整呢？将写模式下的position值设置成读模式下的limit值，也就是说，将之前写入的最大数量作为可以读取数据的上限值。

        Buffer在翻转时的属性值调整主要涉及position，limit两个属性，但这种调整比较微妙，不太好理解，下面举例说明：

        首先，创建缓冲区。新创建的缓冲区处于写模式，其position值为0，limit值为最大容量capacity。

        然后，向缓冲区写数据。每写入一个数据，position向后面移动一个位置，也就是position的值加1。这里假定写入了5个数，当写入完成后，position的值为5.

        最后，使用flip()方法将缓冲区切换到读模式。limit的值会先被设置成写模式的position值，所以新的limit的值是5，表示可以读取数据的最大上限是5.之后调整position值，新的position会被重置为0，表示可以从0开始读。

        缓冲区切换到读模式后就可以从缓冲区读取数据了，一直到缓冲区的数据读取完毕。

        除了以上capacity、limit、position三个重要的成员属性外，Buffer还有一个比较重要的标记属性：mark（标记）属性。该属性的大致作用是：在缓冲区操作过程中，可以将当前的position值临时存入mark属性中，需要的时候，再从mark中取出暂存的标记值，恢复到position属性中，重新从position位置开始处理。

        下面用表总结一下Buffer类的四个重要属性。