javaNIO操作

本文参考了http://www.iteye.com/magazines/132-Java-NIO

Java NIO 由以下几个核心部分组成：

1 Channels

2 Buffers

3 Selectors

Channel 和 Buffer

基本上，所有的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 有点象流。 数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer 写到Channel中。这里有个图示：

Channel和Buffer有好几种类型。下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的实现：

4 FileChannel

5 DatagramChannel

6 SocketChannel

7 ServerSocketChannel

以下是Java NIO里关键的Buffer实现：

8 ByteBuffer

9 CharBuffer

10 DoubleBuffer

11 FloatBuffer

12 IntBuffer

13 LongBuffer

14 ShortBuffer

这些Buffer覆盖了你能通过IO发送的基本数据类型：byte, short, int, long, float, double 和 char。

Selector

Selector允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如，在一个聊天服务器中。

这是在一个单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示：

要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新连接进来，数据接收等。

 

 

Java NIO的通道类似流，但又有些不同：

15 既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道。但流的读写通常是单向的。

16 通道可以异步地读写。

17 通道中的数据总是要先读到一个Buffer，或者总是要从一个Buffer中写入

 Java NIO中的Buffer用于和NIO通道进行交互。如你所知，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入到通道中的。

 

Buffer的基本用法

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤：

18 写入数据到Buffer

19 调用flip()方法

20 从Buffer中读取数据

21 调用clear()方法或者compact()方法

当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到buffer的所有数据。

一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用clear()或compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

afile = new RandomAccessFile("e:/haha.txt","rw");//创建从中读取和向其中写入（可选）的随机访问文件流，该文件具有指定名称
FileChannel channel = afile.getChannel();//得到当前文件的通道
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);//设置读取和写入的缓冲区的大小
int byteRead = channel.read(buffer);//将数据读入到缓冲区
while (byteRead != -1) {
buffer.flip();//调用flip()方法
while (buffer.hasRemaining()) {
System.out.print((char)buffer.get());//读入数据
}
buffer.clear();//清空缓存，便于下次写入
byteRead = channel.read(buffer);
}
afile.close();

 

Buffer的capacity,position和limit

缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三个属性：

22 capacity

23 position

24 limit

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式，capacity的含义总是一样的。

capacity

作为一个内存块，Buffer有一个固定的大小值，也叫“capacity”.你只能往里写capacity个byte、long，char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清除数据）才能继续写数据往里写数据。

position

当你写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。初始的position值为0.当一个byte、long等数据写到Buffer后， position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity – 1.

当读取数据时，也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0. 当从Buffer的position处读取数据时，position向前移动到下一个可读的位置。

limit

在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。 写模式下，limit等于Buffer的capacity。

当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据。因此，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值。换句话说，你能读到之前写入的所有数据（limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position）

 

 

Buffer的分配

要想获得一个Buffer对象首先要进行分配。 每一个Buffer类都有一个allocate方法。下面是一个分配48字节capacity的ByteBuffer的例子。

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

这是分配一个可存储1024个字符的CharBuffer：

CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

 

向Buffer中写数据

写数据到Buffer有两种方式：

25 从Channel写到Buffer。

26 通过Buffer的put()方法写到Buffer里。

从Channel写到Buffer的例子

int bytesRead = inChannel.read(buf);

通过put方法写Buffer的例子：

buf.put(127);

 

flip()方法

flip方法将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0，并将limit设置成之前position的值。

 

从Buffer中读取数据

从Buffer中读取数据有两种方式：

27 从Buffer读取数据到Channel。

28 使用get()方法从Buffer中读取数据。

从Buffer读取数据到Channel的例子：

int bytesWritten = inChannel.write(buf);

使用get()方法从Buffer中读取数据的例子

byte aByte = buf.get();

 

clear()与compact()方法

一旦读完Buffer中的数据，需要让Buffer准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成。

mark()与reset()方法

通过调用Buffer.mark()方法，可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。

 

 

equals()与compareTo()方法

可以使用equals()和compareTo()方法比较两个Buffer。

equals()

当满足下列条件时，表示两个Buffer相等：

29 有相同的类型（byte、char、int等）。

30 Buffer中剩余的byte、char等的个数相等。

31 Buffer中所有剩余的byte、char等都相同。

如你所见，equals只是比较Buffer的一部分，不是每一个在它里面的元素都比较。实际上，它只比较Buffer中的剩余元素。

compareTo()方法

compareTo()方法比较两个Buffer的剩余元素(byte、char等)， 如果满足下列条件，则认为一个Buffer“小于”另一个Buffer：

32 第一个不相等的元素小于另一个Buffer中对应的元素 。

33 所有元素都相等，但第一个Buffer比另一个先耗尽(第一个Buffer的元素个数比另一个少)。

 

 

Java NIO开始支持scatter/gather，scatter/gather用于描述从Channel（译者注：Channel在中文经常翻译为通道）中读取或者写入到Channel的操作。
分散（scatter）从Channel中读取是指在读操作时将读取的数据写入多个buffer中。因此，Channel将从Channel中读取的数据“分散（scatter）”到多个Buffer中。
聚集（gather）写入Channel是指在写操作时将多个buffer的数据写入同一个Channel，因此，Channel 将多个Buffer中的数据“聚集（gather）”后发送到Channel。

scatter / gather经常用于需要将传输的数据分开处理的场合，例如传输一个由消息头和消息体组成的消息，你可能会将消息体和消息头分散到不同的buffer中，这样你可以方便的处理消息头和消息体。

Scattering Reads
Scattering Reads是指数据从一个channel读取到多个buffer中。如下图描述：

代码示例如下：

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);
 ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };
 channel.read(bufferArray);

注意buffer首先被插入到数组，然后再将数组作为channel.read() 的输入参数。read()方法按照buffer在数组中的顺序将从channel中读取的数据写入到buffer，当一个buffer被写满后，channel紧接着向另一个buffer中写。

Scattering Reads在移动下一个buffer前，必须填满当前的buffer，这也意味着它不适用于动态消息(译者注：消息大小不固定)。换句话说，如果存在消息头和消息体，消息头必须完成填充（例如 128byte），Scattering Reads才能正常工作。

 

 

Gathering Writes

Gathering Writes是指数据从多个buffer写入到同一个channel。如下图描述：

代码示例如下：

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);
 
//write data into buffers
 
ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };
 
channel.write(bufferArray);

 

buffers数组是write()方法的入参，write()方法会按照buffer在数组中的顺序，将数据写入到channel，注意只有position和limit之间的数据才会被写入。因此，如果一个buffer的容量为128byte，但是仅仅包含58byte的数据，那么这58byte的数据将被写入到channel中。因此与Scattering Reads相反，Gathering Writes能较好的处理动态消息。

           在Java NIO中，如果两个通道中有一个是FileChannel，那你可以直接将数据从一个channel（译者注：channel中文常译作通道）传输到另外一个channel。

transferFrom()

FileChannel的transferFrom()方法可以将数据从源通道传输到FileChannel中（译者注：这个方法在JDK文档中的解释为将字节从给定的可读取字节通道传输到此通道的文件中）。下面是一个简单的例子：

RandomAccessFile file1 = new RandomAccessFile("e:/haha.txt","rw");//创建从中读取和向其中写入（可选）的随机访问文件流
RandomAccessFile file2 = new RandomAccessFile("e:/hehe.txt","rw");
FileChannel channel1 = file1.getChannel();//得到当前文件的通道
FileChannel channel2 = file2.getChannel();
int count = (int) channel2.size();//得到channel2通道的大小
channel1.transferFrom(channel2, 0, count);//将channel2通道的数据合并到channel1通道中
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);//设置读取和写入的缓冲区的大小
int byteRead = channel1.read(buffer);//将数据读入到缓冲区
while (byteRead != -1) {
buffer.flip();//调用flip()方法
while (buffer.hasRemaining()) {
System.out.print((char)buffer.get());//读入数据
}
buffer.clear();//清空缓存，便于下次写入
byteRead = channel1.read(buffer);
}
file1.close();

方法的输入参数position表示从position处开始向目标文件写入数据，count表示最多传输的字节数。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。
此外要注意，在SoketChannel的实现中，SocketChannel只会传输此刻准备好的数据（可能不足count字节）。因此，SocketChannel可能不会将请求的所有数据(count个字节)全部传输到FileChannel中。

 

Selector（选择器）是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道，并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。这样，一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接。

 

为什么使用Selector?

仅用单个线程来处理多个Channels的好处是，只需要更少的线程来处理通道。事实上，可以只用一个线程处理所有的通道。对于操作系统来说，线程之间上下文切换的开销很大，而且每个线程都要占用系统的一些资源（如内存）。因此，使用的线程越少越好。

Selector的创建

通过调用Selector.open()方法创建一个Selector，如下：

Selector selector = Selector.open();

向Selector注册通道

为了将Channel和Selector配合使用，必须将channel注册到selector上。通过SelectableChannel.register()方法来实现，如下：

channel.configureBlocking(false);

SelectionKey key = channel.register(selector,Selectionkey.OP_READ);

与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道都可以。

 

Channel + Selector

从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。如下：

Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();

通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“读就绪”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。

下面是select()方法：

34 int select()

35 int select(long timeout)

36 int selectNow()

select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。

select(long timeout)和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。

selectNow()不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回（译者注：此方法执行非阻塞的选择操作。如果自从前一次选择操作后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。）。

select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道就绪了。

selectedKeys()

一旦调用了select()方法，并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了，然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法，访问“已选择键集（selected key set）”中的就绪通道。如下所示：

 

 

 

 

 将已定义的字符串数组写入文件中：

String str[] =new String[]{"aaa","bbb","ccc"};
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("e:/hehe.txt"));
FileChannel fc = fos.getChannel();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
for (int i = 0; i < str.length; i++) {
buf.put(str[i].getBytes());
}
buf.flip();//编程写入模式
fc.write(buf);
fc.close();

复制文件到新文件

String srcFile = "e:/get.mp3";//源文件的路径
String desFile = "e:/bebe.mp3";//新文件的路径
fis = new FileInputStream(new File(srcFile));//得到文件流
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File(desFile));
FileChannel inChannel = fis.getChannel();//得到读文件的通道
FileChannel outChannel = fos.getChannel();//写文件的通道
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);//定义大小是1024的缓冲区
while (true) {
buf.clear();// clear方法重设缓冲区，使它可以接受读入的数据
int flag = inChannel.read(buf);
if (flag == -1) {// clear方法重设缓冲区，使它可以接受读入的数据
break;
}
buf.flip();// flip方法让缓冲区可以将新读入的数据写入另一个通道
outChannel.write(buf);
}

 

将数据从输入通道拷贝到输出通道的过程

while (true) {
buffer.clear();
int r = fcin.read( buffer );
if (r==-1) {
break;
}
buffer.flip();
fcout.write( buffer );
}

关于缓冲区切片的：

FloatBuffer fb = FloatBuffer.allocate(10);//创建一个大小为10的FloatBuffer缓冲区
//设置为写模式，将数据写入缓冲区
fb.clear();
for (int i = 0; i < fb.capacity(); i++) {
fb.put(i);
}
//转换为读模式
fb.flip();
//如果当前的position和capacity之间还有数据
while (fb.hasRemaining()) {
System.out.print(fb.get()+",");
}
System.out.println();
//将FloatBuffer缓冲区进行切片
fb.position(3);//切片的起始位置
fb.limit(7);//切片的结束位置
FloatBuffer newBuf = fb.slice();//进行切片，切片的缓冲区newBuf和原来的FloatBuffer缓冲区共享切片之间的数据
for (int i = 0; i < newBuf.capacity(); i++) {
float j = newBuf.get(i);//更改切片的数据
j = j*10;
newBuf.put(i,j);
}
//重新设置fb的位置
fb.position(0);
fb.limit(fb.capacity());
while (fb.hasRemaining()) {
System.out.print(fb.get()+",");
}

利用nio写入字符串到文件

String s = "aaaaaaaabbbbbbbcccccc";
File file = new File("e:/haha.txt");
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
FileChannel fc = fos.getChannel();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
buf.put(s.getBytes());
buf.flip();
fc.write(buf);
buf.clear();
fc.close();

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