Java nio 学习笔记（一） Buffer（缓冲区）与Channel（通道）的相关知识

一．基本概念

IO 是主存和外部设备 ( 硬盘、终端和网络等 ) 拷贝数据的过程。 IO 是操作系统的底层功能实现，底层通过 I/O 指令进行完成。

所有语言运行时系统提供执行 I/O 较高级别的工具。在java编程中，标准低版本IO使用流的方式完成I/O操作，所有的I/O都被视为单个的字节流动，称为一个Stream的对象一次移动一个字节。

NIO是在JDK1.4之后出现的一种新的IO，sun官方标榜的nio有如下特性：

- 为所有的原始类型提供（Buffer）缓存支持；
- 字符集编码解决方案（Charset）；
-  Channel : 一个新的原始I/O抽象；
- 支持锁和内存映射文件的文件访问接口；
- 提供多路（non-bloking）非阻塞式的高伸缩性网路I/O。

NIO包（java.nio.*）引入了四个关键的抽象数据类型，它们共同解决传统的I/O类中的一些问题。
1． Buffer：它是包含数据且用于读写的线形表结构。其中还提供了一个特殊类用于内存映射文件的I/O操作。
2． Charset：它提供Unicode字符串影射到字节序列以及逆影射的操作。
3． Channels：包含socket，file和pipe三种管道，它实际上是双向交流的通道。
4． Selector：它将多元异步I/O操作集中到一个或多个线程中。

二．Buffer & Channel（缓冲区与通道）

缓冲区和通道是NIO中的核心对象，通道Channel是对原IO中流的模拟，所有数据都要通过通道进行传输；Buffer实质上是一个容器对象，发送给通道的所有对象都必须首先放到一个缓冲区中。

1.      Bufer是什么？类图结构？JDK中如何实现？方法介绍？

（1）Buffer是什么？

Bufer是一个对象，它包含要写入或者刚读出的数据。这是NIO与IO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。

简单的说Buffer是：一块连续的内存块，是NIO数据读或写的中转地。

（2）Buffer的类图结构

从类图可以看出NIO为所有的原始数据类型实现了Buffer缓存的支持。并且看JDK_API可以得知除了ByteBuffer中的方法有所不同之外，其它类中的方法基本相同。

可以看出MappedByteBuffer是ByteBuffer的直接子类，并且在API中可以看到这样一句话A direct byte buffer whose content is a memory-mapped region of a file.支持文件内存映射。

（3）Buffer在JDK中是如何实现的？

查看JDK源码可以知道，Buffer类是一个抽象类，其中有五个属性，分别是mark、position、limit、capacity、address。并且可以看到这样一行注释：

       //Invariants:mark<=position<=limit<=capacity

一个 buffer 主要由 position、limit、capacity 三个变量来控制读写的过程。这三个变量在读和写时分别代表的含义如下：

参数	写模式	读模式
position	当前写入的单位数据的数量	当前读入的单位数据的数量
limit	代表最多能写多少单位的数据量，默认和capacity一致	代表最多能读多少单位的数据量，和之前写入的数据量一致
capacity	Buffer的容量	Buffer的容量

Buffer抽象类并没有指定Buffer的实现方式，看其子类可以发现，比如ByteBuffer中多出几个属性，其中有个final byte[]类型的属性，可知Buffer其实是用数组实现的。

 

（4）Buffer中的一些方法？

最基本的对应属性操作的方法，在JDK中不是使用set和get方法，查看源码知道要得到当前Buffer的limit值使用public final int limit()方法，设定limit的值使用public final Buffer limit(int)方法，其它属性有对应的方法。

public final Buffer flip() : 用于将写模式转换成读模式

       limit = position;    //将limit设置为刚才写入的位置

    position = 0;         //将position设置为0从头开始读

    mark = -1;

    return this;

public final Buffer clear() : 用于清空缓冲区，准备再次被写入，limit设置为capacity，position设置为0

public final Buffer rewind() : 源码实现为position=0,mark=-1。目的是为了重复读。

public final int remaining() : 一句代码return limit - position;

public final int hasRemaining() : 一句代码return limit > position;

 

继承自Buffer的重要类ByteBuffer类中的方法：

首先可以看到在ByteBuffer类中多了三个属性，一个byte数组型的，一个int型的offset，还有一个boolean型的isReadOnly，两个构造函数均是Package-private型的。

 

可以使用一下方法产生一个ByteBuffer对象：

方法一：ByteBuffer bbuf = ByteBuffer.allocate(1024);

查看源码知道allocate执行这样一句话：

              return new HeapByteBuffer(int capacity, int capacity);

而HeapByteBuffer又是ByteBuffer的子类，并且在HeapByteBuffer的构造方法中执行的是这样一个语句：

super(-1, 0, lim, cap, new byte[cap], 0);

也就是说调用的还是ByteBuffer中的构造方法，包范围内使用。这个方法做了如下工作，首先调用Buffer的构造方法，依次初始化mark、position、limit、capacity，然后初始化ByteBuffer的属性byte数组，接着初始offset，这样使用allocate方法就可以构造出一个ByteBuffer对象了。

 

方法二：ByteBuffer bbuf = ByteBuffer.wrap(new Byte[1024] array, 0, 1024);

这个方法比较好用的一点是当这个Byte数组已经存在的话，直接传入这个Byte数组，然后传入起始值和结束值即可。默认wrap实现是初始值传入为0，结束值传入为Byte数组的长度array.length。

 

ByteBuffer类中其它重要方法：

get(byte[] dst) 或者 get(byte[] dst, int offset, int len)

（该方法是用来获取当前ByteBuffer中的指定位置的数据并赋值给dst，最终返回当前对象本身。方法实现时第一步检查参数是否合法，调用的是checkBounds静态包范围私有方法。然后检查len是否大于remaining，接着对dst数组循环赋值，最终返回该对象。）

 

put(byte[] src) 或者 put(byte[] src, int offerset, int len)

（该方法和上面的一对get方法类似，功能是将已有的byte数组从0位置开始放入当前的ByteBuffer中，最终返回ByteBuffer本身。）

 

put(ByteBuffer src)

（该方法将src的remaining逐个放入当前ByteBuffer中，最终返回当前ByteBuffer。）

 

除此之外还有类型化的get方法，例如getInt(), getFloat(), getShort()等。

 

（5）Buffer的更多内容？

缓冲区分片：slice()方法根据现有的缓冲区创建一种子缓冲区，新的缓冲区与原缓冲区共享部分数据。

只读缓冲区：可以通过调用缓冲区的 asReadOnlyBuffer() 方法，将任何常规缓冲区转换为只读缓冲区，这个方法返回一个与原缓冲区完全相同的缓冲区(并与其共享数据)，只不过它是只读的。只读缓冲区对于保护数据很有用。没有办法将只读缓冲区改变为可写的。

下面例子对缓冲区进行分片，并操作数据：

//产生一个ByteBuffer实例

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 10 );

//对该ByteBuffer实例进行初始化

for (int i=0; i<buffer.capacity(); ++i) {

buffer.put( (byte)i );

}

//修改buffer的position（起点）和limit（终点）

buffer.position( 3 );

buffer.limit( 7 );

//对缓冲区进行分片

ByteBuffer slice = buffer.slice();

//对分片的数据进行操作

for (int i=0; i<slice.capacity(); ++i) {

byte b = slice.get( i );

b *= 11;

slice.put( i, b );

}

//重新定位并输出结果

buffer.position( 0 );

buffer.limit( buffer.capacity() );

while (buffer.remaining()>0) {

System.out.println( buffer.get() );

}

直接或者间接缓冲区：直接缓冲区可以加快I/O的读写速度，使用allocateDirect(int capacity)产生一个直接缓冲区。

内存映射文件：下面代码将一个 FileChannel (它的全部或者部分)映射到内存

中。将文件的前1024个字节映射到内存中：

MappedByteBuffer mbb = fc.map( FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024 );

1.    Channel是什么？类图结构？JDK中如何实现？方法介绍？

（1）Channel是什么？

Channel 是一个对象，可以通过它读取和写入数据。拿 NIO 与原来的 I/O 做个比较，通道就像是流。

正如前面提到的，所有数据都通过 Buffer 对象来处理。您永远不会将字节直接写入通道中，相反，您是将数据写入包含一个或者多个字节的缓冲区。同样，您不会直接从通道中读取字节，而是将数据从通道读入缓冲区，再从缓冲区获取这个字节。

简单的说Channel是：数据的源头或者数据的目的地，用于向buffer提供数据或者读取buffer数据，并且对I/O提供异步支持。

（2）Channel的类图结构？

java.nio.channels.Channel是一个公共的接口，所有子Channel均实现了该接口，在java.nio.channels包中还实现了Channels、FileLock、SelectionKey、Selector、Pipe等比较好用的类。包含socket，file和pipe三种管道，它实际上是双向交流的通道。

（3）Channel在JDK中是如何实现的？

在Channel接口中共定义了两个方法

       public boolean isOpen();   //Tells whether or not this channel is open

       public void close() throws IOException();     //Close this channel

FileChannel : 使用以下三个方法可以得到一个FileChannel的实例

       FileInputStream.getChannel()

FileOutputStream.getChannel()

RandomAccessFile.getChannel()

上面提到Channel是数据的源头或者数据的目的地，用于向bufer提供数据或者从buffer读取数据。那么在实现了该接口的子类中应该有相应的read和write方法。

在FileChannel中有以下方法可以使用：

public long read(ByteBuffer[] dsts)

Reads a sequence of bytes from this channel into the given buffers.

public long write(ByteBuffer[] srcs)

       Writes a sequence of bytes to this channel from the given buffers.

附加：文件锁定

FileChannel提供两种方法获得FileLock

       FileLock lock();

       FileLock lock(long position, long size, boolean size);

使用方法举例：

要获取文件的一部分上的锁，您要调用一个打开的 FileChannel 上的 lock() 方法。注意，如果要获取一个排它锁，您必须以写方式打开文件。

RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile( "filelocks.txt", "rw" );

FileChannel fc = raf.getChannel();

FileLock lock = fc.lock( start, end, false );

在拥有锁之后，您可以执行需要的任何敏感操作，然后再释放锁：

lock.release();

SocketChannel : 使用以下两个方法得到一个SocketChannel的实例

       SocketChannel.open();      //打开一个socket channel

       SocketChannel.open(SocketAddress remote);    

//调用上面的方法，并connect(remote)

例子代码：

InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(“www.baidu.com”,80);

SocketChannel sc = SocketChannel.open(socketAddress);

sc.read(buffer);

buffer.flip();

buffer.clear();

sc.write(bufer);

DatagramChannel : 与其它的Channel有相同或者相似的方法。