Java NIO总结

NIO是Java 1.4开始引入的，目的是替代标准IO，它采用了与标准IO完全不同的设计模式和工作方式，这里就来总结一下。

1.Buffer

正如他的名字，就是一个缓存，实际上是内存的一块区域，它是NIO体系的重要组成部分，主要和通道进行交互。 Buffer本身是一个抽象类，它有以下几个子类：
ByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer
根据缓存的数据类型不同创建的不同子类，大致功能都类似，我们不一个一个介绍，只介绍Buffer的关键点。

Buffer的使用一般如下：将数据写入buffer，准备从buffer中读数据，读取数据，清空buffer。下面先简单演示一下然后再解释：

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("file/test.txt","rw");
             FileChannel channel = file.getChannel()){
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(5);
            int len;
            while((len = channel.read(buffer))!=-1){
                buffer.flip();
                while (buffer.hasRemaining())
                    System.out.println((char)buffer.get());
                buffer.compact();
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

先看构造，Buffer的子类也都是抽象类，不能直接实例化，都需要调用静态方法生成，可以看源码，调用不同的静态方法实例化不同的实现类。以ByteBuffer为例，可以这样实例化：

allocate(int capacity) //分配一个大小为capacity的字节数组作为缓冲，但是在堆中
allocateDirect(int capacity) //和上面类似，不过直接借助系统在内存中创建，速度较快，但消耗性能
wrap(byte[] array) //直接从外部指定一个数组，不适用默认创建的，但是双方一方改动就会影响另一方
wrap(byte[] array, int offset, int length) //和上面一个一样，但是能指定偏移量和长度

我们获得一个Buffer实例后就可以使用，首先向buffer中写东西需要channel配合，调用read方法即可。之后在读之前需要准备一下，从代码看就是调用flip方法，这个方法有什么作用呢？从文档上看，就是将limit设置为position，然后将position 置零。这样有什么用呢？下面就来介绍一下buffer的几个成员变量：capacity，limit，position。

capacity就是一个buffer的固定大小，表示他的容量
position表示当前指针的位置，也就是当前读或写到的位置
limit这个值在写模式下表示最多能写多少，写模式下等于capacity。读模式下表示能读到多少，调用flip将limit等于position，表示最多能读到之前写入的所有内容

看flip的实现也很好理解，如下：

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

刚才是准备读数据，下面就是从中读了，buffer有一系列get方法，和流的read方法类似。既然有get就有put方法，除了上面和channel配合写入东西，还可以用一系列put方法写入。读之前可以判断一下是否还有数据：hasRemaining()；读完之后为了使下次还能用，需要清空buffer，可以用clear方法或者compact方法。可以看一下他们的实现：

    public final Buffer clear() {
        position = 0;
        limit = capacity;
        mark = -1;
        return this;
    }
    public ByteBuffer compact() {
        System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
        position(remaining());
        limit(capacity());
        discardMark();
        return this;
    }

clear方法很清晰，就是将几个游标归为为原始状态。compact也是设置几个游标位置，不过有点特殊，remaining方法是获取剩余数据数量就是limit - position，然后将该值赋给position，然后将capacity赋值给limit。他和clear的区别就是在position上的处理。但是，如果我们已经将buffer内容读完，这时limit = position，那么 position(remaining())的效果就是position = limit - position = 0.这时compact方法效果等于clear。否则虽然也可以继续写内容进去，但容量减少，但好处是未读的数据以后可以继续读。

再来看其他方法：

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

rewind是将position 置零，也就是buffer中内容可以重新读取。

    public final Buffer mark() {
        mark = position;
        return this;
    }
    public final Buffer reset() {
        int m = mark;
        if (m < 0)
            throw new InvalidMarkException();
        position = m;
        return this;
    }

mark和reset是配合使用的。mark标记一个位置，reset使游标回到这个位置。mark成员变量初始为-1.所以不要没有调用mark方法就去调用reset。

可以看到buffer的主要操作就是针对几个指针的，毕竟他是依赖于数组实现的。

2.Channel

Channel用来实现通道的概念，他类似于流，但是不能直接操作数据，需要借助于Buffer，它本身是一个接口，一般有以下几个重要实现：
FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

2.1 FileChannel

FileChannel是一个用于读写操作文件的channel。首先看怎么获得实例化对象，FileChannel也是一个抽象类，所以不能通过构造获得。一般获得的途径有，RandomAccessFile、FileOutputStream、FileInputStream等一些类的getChannel()方法,如上文中示例。

另外在Java 1.7 中提供了几个静态的open方法用来直接打开或创建文件获取Channel：

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try (FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("file/test.txt"), StandardOpenOption.READ)){
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(5);
            int len;
            while((len = channel.read(buffer))!=-1){
                buffer.flip();
                while (buffer.hasRemaining())
                    System.out.println((char)buffer.get());
                buffer.compact();
            }

        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

Channel是不能直接读数据的，需要借助于buffer，同样写内容也是要借助于buffer，下面演示一下传统的复制文件。

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try (FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("file/test.png"), StandardOpenOption.READ)){
            FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("file/copy.png"), StandardOpenOption.READ,StandardOpenOption.WRITE,StandardOpenOption.CREATE);
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            while (readChannel.read(buffer)!=-1){
                buffer.flip();
                while (buffer.hasRemaining())
                    writeChannel.write(buffer);
                buffer.clear();
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

有一点需要注意的是，有时并不能保证把整个buffer的内容写入，为了严谨起见，需要循环判断buffer中是否有内容未写入。

除了上面传统的写法，channel还有自己特有的传输方法：

        try (FileChannel readChannel = FileChannel.open(Paths.get("file/test.png"), StandardOpenOption.READ)){
            FileChannel writeChannel = FileChannel.open(Paths.get("file/copy.png"), StandardOpenOption.READ,StandardOpenOption.WRITE,StandardOpenOption.CREATE);
            //以下两句话效果一样
            //writeChannel.transferFrom(readChannel,0,readChannel.size());
            readChannel.transferTo(0,readChannel.size(),writeChannel);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

transferFrom和transferTo都是把一个channel的内容传输到另一个，但是注意两个方法的区别，即方向性。

上面示例用到了size()方法，是用来获取所关联文件的大小。

position()和position(long)方法用来获取指针位置和设置指针位置。设置position是可以将指针设置到文件结束符之后的，但是中间会有空洞。

truncate(long)方法可一截取一个文件并返回FileChannel，从文件开始截取到指定位置。

2.2 DatagramChannel

DatagramChannel是Java UDP通信中传输数据的通道。关于Java中传统UDP的实现见这里，下面简单用DatagramChannel实现一下UDP通信
服务端

public class UDPService {
    public static final String SERVICE_IP = "127.0.0.1";

    public static final int SERVICE_PORT = 10101;

    public static void main(String[] args) {
        UDPService service = new UDPService();
        service.startService(SERVICE_IP,SERVICE_PORT);
    }

    private void startService(String ip, int port){
        try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()){
            channel.bind(new InetSocketAddress(ip,port));
            while (true){
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                SocketAddress socketAddress = channel.receive(buffer);
                String receive = new String(buffer.array(),"UTF-8").trim();
                System.out.println("address: " + socketAddress.toString()+ " msg: "+ receive);
                buffer.clear();
                buffer.put((receive + "hello world").getBytes());
                buffer.flip();
                channel.send(buffer,socketAddress);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客户端

public class UDPClient {

    public static void main(String[] args){
        UDPClient client = new UDPClient();
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while(true){
            String msg = scanner.nextLine();
            if("##".equals(msg))
                break;
            System.out.println(client.sendAndReceive(UDPService.SERVICE_IP,UDPService.SERVICE_PORT,msg));
        }
    }

    private String sendAndReceive(String serviceIp, int servicePort, String msg) {
        try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()){
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            buffer.put(msg.getBytes());
            System.out.println(buffer.position());
            buffer.flip();
            SocketAddress address = new InetSocketAddress(serviceIp,servicePort);
            System.out.println( channel.send(buffer,address));
            buffer.clear();
            SocketAddress socketAddress = channel.receive(buffer);
            return "address: " + socketAddress.toString()+ " msg: "+ new String(buffer.array(),"UTF-8");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "null";
    }
}

一般获得一个DatagramChannel 需要使用静态方法open，DatagramChannel 也是配合buffer使用的。之后服务端需要绑定一个地址和端口。接下来就可以收发数据了，收用receive方法，返回发送方的地址信息，发生使用send方法，返回成功发生的字节数。

有一点特别重要，由于是配合buffer操作，无论是客户端还是服务端，在发送前都需要调用flip方法，否则发送的都是空数据（因为都是从position到limit，flip之前position是当前写的位置，limit为capacity）。还有一点，在接受时，由于不知道buffer中有效字节数，所以limit为capacity，直观的看就是转为字符串时末尾有大量空内容，需要trim一下。

默认情况下是阻塞的，也可以设置为非阻塞的，channel.configureBlocking(true);，此时receive方法会立刻返回，可能为null。channel也有connect方法，但是UDP是非连接的，所以只是绑定一个远端地址，收发智能从指定地址来。connect之后就可以用read或者write收发数据。

2.3 SocketChannel 与 ServerSocketChannel

这两类是和Socket与 ServerSocket对应的两个雷，也是专为TCP通信设计的，ServerSocketChannel代表服务端，SocketChannel 代表一个连接。关于Java的传统TCP实现见这里，下面简单实现一下TCP通信
服务端：

public class TCPService {
    public static final String SERVICE_IP = "127.0.0.1";

    public static final int SERVICE_PORT = 10101;

    public static void main(String[] args) {
        TCPService service = new TCPService();
        service.startService();
    }
    private void startService(){
        try (ServerSocketChannel service = ServerSocketChannel.open()){
            service.bind(new InetSocketAddress(SERVICE_IP,SERVICE_PORT));
            while (true){
                SocketChannel channel = service.accept();
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                StringBuilder msg = new StringBuilder();
                while ((len = channel.read(buffer)) > 0) {
                    receive.append(new String(buffer.array(), 0, len));
                    buffer.clear();
                }
                System.out.println("address: " + channel.getRemoteAddress().toString() + " msg: " + msg.toString());

                buffer.clear();
                buffer.put((msg + "hello world").getBytes());
                buffer.flip();
                while (buffer.hasRemaining())
                    channel.write(buffer);
                channel.shutdownOutput();
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客户端

public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        TCPClient client = new TCPClient();
        while(true){
            System.out.println(client.sendAndReceive(TCPService.SERVICE_IP,TCPService.SERVICE_PORT,scanner.nextLine()));
        }
    }

    private String sendAndReceive(String address,int port,String msg){
        try (SocketChannel channel = SocketChannel.open()){
            channel.connect(new InetSocketAddress(address,port));
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            buffer.put(msg.getBytes());
            buffer.flip();
            while (buffer.hasRemaining())
                channel.write(buffer);
            channel.shutdownOutput();
            buffer.clear();

            StringBuilder receive = new StringBuilder();
            int len = 0;
            while ((len = channel.read(buffer)) > 0) {
                receive.append(new String(buffer.array(), 0, len));
                buffer.clear();
            }
            return "address: " + channel.getRemoteAddress().toString() + " msg: " + receive.toString();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        return "null";
    }
}

同样都是利用open获取一个示例，服务端要绑定地址和端口，然后监听连接，客户端只需去连接服务端即可。同样的都可以设置为非阻塞的，收发数据使用read和write方法。需要注意的还是buffer操作问题以及即使关流或者做控制就行。

3.Selector

Selector 可以同时监控多个Channel 的 IO 状况，也就是说，利用 Selector可使一个单独的线程管理多个 Channel，selector 是非阻塞 IO 的核心。简单示例
客户端

public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        TCPClient client = new TCPClient();
        while(true){
            client.sendAndReceive(TCPService.SERVICE_IP,TCPService.SERVICE_PORT,scanner.nextLine());
        }
    }

    private void sendAndReceive(String address,int port,String msg){
        try (SocketChannel channel = SocketChannel.open()){
            channel.connect(new InetSocketAddress(address, port));
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
            channel.configureBlocking(false);
            buf.put((new Date() + "：" + msg).getBytes());
            buf.flip();
            channel.write(buf);
            buf.clear();
            channel.shutdownOutput();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

服务端

public class TCPService {
    public static final String SERVICE_IP = "127.0.0.1";

    public static final int SERVICE_PORT = 10101;

    private String msg;

    public static void main(String[] args) {
        TCPService service = new TCPService();
        service.startService();
    }
    private void startService(){
        try (ServerSocketChannel service = ServerSocketChannel.open()){
            service.bind(new InetSocketAddress(SERVICE_IP,SERVICE_PORT));
            service.configureBlocking(false);
            Selector selector = Selector.open();
            service.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (selector.select() > 0) {
                Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
                while (it.hasNext()) {
                    SelectionKey key = it.next();
                    if (key.isAcceptable()) {
                        System.out.println("isAcceptable");
                        SocketChannel sc = service.accept();
                        sc.configureBlocking(false);
                        sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ );
                    } else if (key.isReadable()) {
                        System.out.println("isReadable");
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                        int len = 0;
                        StringBuilder sb = new StringBuilder();
                        while ((len = channel.read(buf)) > 0) {
                            sb.append(new String(buf.array(), 0, len));
                            buf.clear();
                        }
                        System.out.println(sb.toString());
                        channel.close();
                    }
                    it.remove();
                }
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

主要是服务端的应用，基本流程就是先利用open()方法获取一个Selector ，设置ServerSocketChannel 为非阻塞的，之后注册事件，一般有以下几种

SelectionKey.OP_CONNECT
SelectionKey.OP_ACCEPT
SelectionKey.OP_READ
SelectionKey.OP_WRITE

之后调用select()返回就绪通道数，然后根据时间类型执行具体操作即可。

4.Pipe

传统IO为我们提供了线程间通信的类，PipedInputStream与PipedOutputStream。NIO作为IO的替代者，自然也有线程通信的方法，就是Pipe，使用起来很简单，如下：

public class Receiver extends Thread{
    private Pipe pipe;

    public void setPipe(Pipe pipe){
        this.pipe = pipe;
    }
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        try (Pipe.SourceChannel channel = pipe.source()){
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
            int len = 0;
            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            while((len = channel.read(buf))!=-1){
                sb.append(new String(buf.array(),0,len));
                buf.clear();
            }
            System.out.println(sb.toString());
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
public class Sender extends Thread{
    private Pipe pipe;

    public void setPipe(Pipe pipe){
        this.pipe = pipe;
    }
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        try (Pipe.SinkChannel channel = pipe.sink()){
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            buffer.put("hello world".getBytes());
            buffer.flip();
            while (buffer.hasRemaining())
                channel.write(buffer);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Receiver receiver = new Receiver();
        Sender sender = new Sender();
        Pipe pipe = Pipe.open();
        receiver.setPipe(pipe);
        sender.setPipe(pipe);
        receiver.start();
        sender.start();
    }

Pipe只是一个管理者，收发数据还是通过两个通道：SinkChannel 和SourceChannel 。都是单项的，SinkChannel 负责写数据，SourceChannel 负责收数据。

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