JAVA NIO

概述

Java NIO 由以下几个核心部分组成：

Channels
Buffers
Selectors

虽然Java NIO 中除此之外还有很多类和组件，但在我看来，Channel，Buffer 和 Selector 构成了核心的API。其它组件，如Pipe和FileLock，只不过是与三个核心组件共同使用的工具类。

基本上，所有的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel，国内大多翻译成“通道”，有点像流。不同的是，数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer 写到Channel中。

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。

Buffer

发送给一个通道的所有数据都必须首先放到缓冲区中，同样地，从通道中读取的任何数据都要先读到缓冲区中。也就是说，不会直接对通道进行读写数据，而是要先经过缓冲区。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。

类型

Java NIO 有以下Buffer类型

ByteBuffer
MappedByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer

这些Buffer类型代表了不同的数据类型。换句话说，就是可以通过char，short，int，long，float 或 double类型来操作缓冲区中的字节。

用法

基本用法

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤：

写入数据到Buffer
调用flip()方法，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。
从Buffer中读取数据
调用clear()方法或者compact()方法，清空缓冲区

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。

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。

1	ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

向Buffer中写入数据

写数据到Buffer有两种方式：

从Channel写到Buffer。

1	int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.

通过Buffer的put()方法写到Buffer里，put方法有很多版本，允许你以不同的方式把数据写入到Buffer中。例如，写到一个指定的位置，或者把一个字节数组写入到Buffer。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。
1
buf.put(127);

读取数据

从Buffer中读取数据有两种方式：

从Buffer读取数据到Channel。

1 2	//read from buffer into channel. int bytesWritten = inChannel.write(buf);

使用get()方法从Buffer中读取数据，get方法有很多版本，允许你以不同的方式从Buffer中读取数据。例如，从指定position读取，或者从Buffer中读取数据到字节数组。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

1	byte aByte = buf.get();

原理

Buffer简单地理解为一组基本数据类型的元素列表，它通过几个变量来保存这个数据的当前位置状态：

索引	说明
capacity	缓冲区数组的总长度
position	下一个要操作的数据元素的位置
limit	缓冲区数组中不可操作的下一个元素的位置：limit<=capacity

状态变量的改变过程举例：

① 通过ByteBuffer.allocate(8)新建一个大小为 8 个字节的缓冲区，此时 position 为 0，而 limit = capacity = 8。capacity 变量不会改变，下面的讨论会忽略它。

② 从输入通道中读取 5 个字节数据写入缓冲区中，此时 position 为 5，limit 保持不变。

③ 在将缓冲区的数据写到输出通道之前，需要先调用 flip() 方法，这个方法将 limit 设置为当前 position，并将 position 设置为 0。

④ 从缓冲区中取 4 个字节到输出缓冲中，此时 position 设为 4。

⑤ 最后需要调用 clear() 方法来清空缓冲区，此时 position 和 limit 都被设置为最初位置。

Channel

Java NIO的通道类似流，但又有些不同：

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。
通道可以异步地读写。
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。

正如上面所说，从通道读取数据到缓冲区，从缓冲区写入数据到通道。如下图所示：

这些是Java NIO中最重要的通道的实现：

FileChannel 从文件中读写数据
DatagramChannel 能通过UDP读写网络中的数据
SocketChannel 能通过TCP读写网络中的数据
ServerSocketChannel 可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel

FileChannel

Java NIO中的FileChannel是一个连接到文件的通道。可以通过文件通道读写文件。FileChannel无法设置为非阻塞模式，它总是运行在阻塞模式下。

打开

在使用FileChannel之前，必须先打开它。但是，我们无法直接打开一个FileChannel，需要通过使用一个InputStream、OutputStream或RandomAccessFile来获取一个FileChannel实例。下面是通过RandomAccessFile打开FileChannel的示例：

1 2	RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw"); FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

读取

打开FileChannel后，调用多个read()方法之一从FileChannel中读取数据。如：

1 2	ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48); int bytesRead = inChannel.read(buf);

首先，分配一个Buffer。从FileChannel中读取的数据将被读到Buffer中。然后，调用FileChannel.read()方法。该方法将数据从FileChannel读取到Buffer中。read()方法返回的int值表示了有多少字节被读到了Buffer中。如果返回**-1，表示到了文件末尾**。

写入

使用FileChannel.write()方法向FileChannel写数据，该方法的参数是一个Buffer：

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());

buf.flip();

while(buf.hasRemaining()) {
	channel.write(buf);
}

注意FileChannel.write()是在while循环中调用的。因为无法保证write()方法一次能向FileChannel写入多少字节，因此需要重复调用write()方法，直到Buffer中已经没有尚未写入通道的字节。

读文件示例

public static void nioReadFile(){
       RandomAccessFile file = null;
       try{
           aFile = new RandomAccessFile("test.txt","rw");
           FileChannel fileChannel = aFile.getChannel();
           ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
           int bytesRead = fileChannel.read(buf);
           System.out.println(bytesRead);
           while(bytesRead != -1)
           {
               buf.flip();
               while(buf.hasRemaining())
               {
                   System.out.print((char)buf.get());
               }
               buf.compact();
               bytesRead = fileChannel.read(buf);
           }
       }catch (IOException e){
           e.printStackTrace();
       }finally{
           try{
               if(aFile != null){
                   aFile.close();
               }
           }catch (IOException e){
               e.printStackTrace();
           }
       }
   }

SocketChannel

Java NIO中的SocketChannel是一个连接到TCP网络套接字的通道。

使用

打开

可以通过以下2种方式创建SocketChannel：

打开一个SocketChannel并连接到互联网上的某台服务器：

1 2	SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8081));

一个新连接到达ServerSocketChannel时，会创建一个SocketChannel。

从 SocketChannel 读取数据

要从SocketChannel中读取数据，和FileChannel一样，需要结合Buffer使用，调用read()的方法。以下是例子：

1 2	ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48); int bytesRead = socketChannel.read(buf);

写入 SocketChannel

写数据到SocketChannel用的是SocketChannel.write()方法，该方法以一个Buffer作为参数。示例如下：

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());

buf.flip();

while(buf.hasRemaining()) {
    channel.write(buf);
}

关闭

1	socketChannel.close();

非阻塞模式

NIO的强大功能部分来自于Channel的非阻塞特性，套接字的某些操作可能会无限期地阻塞。例如，对accept()方法的调用可能会因为等待一个客户端连接而阻塞；对read()方法的调用可能会因为没有数据可读而阻塞，直到连接的另一端传来新的数据。总的来说，创建/接收连接或读写数据等I/O调用，都可能无限期地阻塞等待，直到底层的网络实现发生了什么。慢速的，有损耗的网络，或仅仅是简单的网络故障都可能导致任意时间的延迟。然而不幸的是，在调用一个方法之前无法知道其是否阻塞。NIO的channel抽象的一个重要特征就是可以通过配置它的阻塞行为，以实现非阻塞式的信道。

1	channel.configureBlocking(false)

在非阻塞式信道上调用一个方法总是会立即返回。这种调用的返回值指示了所请求的操作完成的程度：

非阻塞模式下，write()方法在尚未写出任何内容时可能就返回了。所以需要在循环中调用write()。
非阻塞模式下,read()方法在尚未读取到任何数据时可能就返回了。所以需要关注它的int返回值，它会告诉你读取了多少字节。
在非阻塞模式下，调用connect()，该方法可能在连接建立之前就返回了。为了确定连接是否建立，可以调用finishConnect()的方法。

非阻塞模式与选择器搭配会工作的更好，通过将一或多个SocketChannel注册到Selector，可以询问选择器哪个通道已经准备好了读取，写入等。

NIO客户端

public static void client(){
       ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
       SocketChannel socketChannel = null;
       try
       {
           socketChannel = SocketChannel.open();
           socketChannel.configureBlocking(false);
           socketChannel.connect(new InetSocketAddress("10.10.195.115",8080));
           if(socketChannel.finishConnect())
           {
               int i=0;
               while(true)
               {
                   TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                   String info = "I'm "+i+++"-th information from client";
                   buffer.clear();
                   buffer.put(info.getBytes());
                   buffer.flip();
                   while(buffer.hasRemaining()){
                       System.out.println(buffer);
                       socketChannel.write(buffer);
                   }
               }
           }
       }
       catch (IOException | InterruptedException e)
       {
           e.printStackTrace();
       }
       finally{
           try{
               if(socketChannel!=null){
                   socketChannel.close();
               }
           }catch(IOException e){
               e.printStackTrace();
           }
       }
   }

ServerSocketChannel

Java NIO中的 ServerSocketChannel 是一个可以监听新进来的TCP连接的通道, 就像标准IO中的ServerSocket一样。

使用

打开 ServerSocketChannel

通过调用 ServerSocketChannel.open() 方法来打开ServerSocketChannel.如：

1 2	ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));

监听连接

通过 ServerSocketChannel.accept() 方法监听新进来的连接。当 accept()方法返回的时候,它返回一个包含新进来的连接的 SocketChannel。因此, accept()方法会一直阻塞到有新连接到达。

通常不会仅仅只监听一个连接,在while循环中调用 accept()方法. 如下面的例子：

while(true){
    SocketChannel socketChannel =
            serverSocketChannel.accept();

    //do something with socketChannel...
}

ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下，accept() 方法会立刻返回，如果还没有新进来的连接,返回的将是null。因此，需要检查返回的SocketChannel是否是null.如：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
serverSocketChannel.configureBlocking(false);

while(true){
    SocketChannel socketChannel =
            serverSocketChannel.accept();

    if(socketChannel != null){
        //do something with socketChannel...
    }
}

关闭 ServerSocketChannel

通过调用ServerSocketChannel.close() 方法来关闭

Selector

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）。Selector（选择器）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。一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接。Selector类可以用于避免使用阻塞式客户端中很浪费资源的“忙等”方法。

用法

创建

1	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：

1 2	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。

注意register()方法的第二个参数。这是一个“interest集合”，意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪，可以监听四种不同类型的事件：

SelectionKey.OP_CONNECT ：某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”
SelectionKey.OP_ACCEPT：一个ServerSocketchannel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。
SelectionKey.OP_READ：一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。
SelectionKey.OP_WRITE：等待写数据的通道可以说是“写就绪”。

如果你对不止一种事件感兴趣，那么可以用“位或”操作符将常量连接起来，如下：

1	int interestSet = SelectionKey.OP_READ \| SelectionKey.OP_WRITE;

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。

int select()：阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。
int select(long timeout)：和select()一样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。
int selectNow()：不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回

获取已选择键值

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：

1	Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

当像Selector注册Channel时，Channel.register()方法会返回一个SelectionKey 对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道（token）。可以通过SelectionKey的selectedKeySet()方法访问这些对象。

可以遍历这个已选择的键集合来访问就绪的通道。如下：

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
while(keyIterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();
    if(key.isAcceptable()) {
        // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
    } else if (key.isConnectable()) {
        // a connection was established with a remote server.
    } else if (key.isReadable()) {
        // a channel is ready for reading
    } else if (key.isWritable()) {
        // a channel is ready for writing
    }
    keyIterator.remove();
}

这个循环遍历已选择键集中的每个键，并检测各个键所对应的通道的就绪事件。注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除，否则下次该通道变成就绪时，Selector会再次将其放入已选择键集中。

SelectionKey

当向Selector注册Channel时，register()方法会返回一个SelectionKey对象，代表SelectableChannel与Selector的注册的token。这个对象包含了一些属性：

interest集合
ready集合
Channel
Selector
附加的对象（可选）

interest

interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合，像这样：

1 2	int interestSet = selectionKey.interestOps(); boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;

ready集合

ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后，你会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合：

1	int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像检测interest集合那样的方法，来检测channel中什么事件或操作已经就绪。但是，也可以使用以下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

Channel、Selector

从SelectionKey访问对应的Channel和Selector很简单。如下：

1 2	Channel channel = selectionKey.channel(); Selector selector = selectionKey.selector();

附加对象

可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，可以附加与通道一起使用的Buffer，或是包含聚集数据的某个对象。使用方法如下：

1 2	selectionKey.attach(theObject); Object attachedObj = selectionKey.attachment();

还可以在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如：

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

示例

public class ServerConnect
{
    private static final int BUF_SIZE=1024;
    private static final int PORT = 8080;
    private static final int TIMEOUT = 3000;
    public static void main(String[] args)
    {
        selector();
    }
    public static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException{
        ServerSocketChannel ssChannel = (ServerSocketChannel)key.channel();
        SocketChannel sc = ssChannel.accept();
        sc.configureBlocking(false);
        sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocateDirect(BUF_SIZE));
    }
    public static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException{
        SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        long bytesRead = sc.read(buf);
        while(bytesRead>0){
            buf.flip();
            while(buf.hasRemaining()){
                System.out.print((char)buf.get());
            }
            System.out.println();
            buf.clear();
            bytesRead = sc.read(buf);
        }
        if(bytesRead == -1){
            sc.close();
        }
    }
    public static void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException{
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        buf.flip();
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        while(buf.hasRemaining()){
            sc.write(buf);
        }
        buf.compact();
    }
    public static void selector() {
        Selector selector = null;
        ServerSocketChannel ssc = null;
        try{
            selector = Selector.open();
            ssc= ServerSocketChannel.open();
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            ssc.configureBlocking(false);
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while(true){
                if(selector.select(TIMEOUT) == 0){
                    System.out.println("==");
                    continue;
                }
                Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
                while(iter.hasNext()){
                    SelectionKey key = iter.next();
                    if(key.isAcceptable()){
                        handleAccept(key);
                    }
                    if(key.isReadable()){
                        handleRead(key);
                    }
                    if(key.isWritable() && key.isValid()){
                        handleWrite(key);
                    }
                    if(key.isConnectable()){
                        System.out.println("isConnectable = true");
                    }
                    iter.remove();
                }
            }
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(selector!=null){
                    selector.close();
                }
                if(ssc!=null){
                    ssc.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}