java NIO学习

Posted 2021-03-17 good good study

NIO的全称是non-blocking IO，也就是非阻塞IO，也有的人叫他New IO。他的核心内容主要有三部分，Channel（通道），Buffer（缓冲区）, Selecto（选择器）。下面我们针对这三部分详细了解一下NIO。

Buffer（缓冲区）

Buffer缓冲是一个指定固定数据量的容器，一个连续数组。除内容之外，缓冲区还具有位置和界限，其中位置是要读写的下一个元素的索引，界限是第一个应该读写的元素的索引。java中每个非布尔基本类型都有一个缓冲区类。

Buffer通过capacity, position, limit, mark这四个变量来保存这个数据的当前位置状态，下面介绍一下这四个属性的意义。

• capacity（容量值）：缓冲区数组的总长度
• position（位置）：下一个要操作的数据元素的位置
• limit（极限）：缓冲区数组中不可操作的下一个元素的位置
• mark（标记）：用于记录当前position的位置，默认是-1

基本 Buffer 类定义了这些属性以及清除、反转和重绕方法，用以标记当前位置，以及将当前位置重置为前一个标记处。

• clear()使缓冲区准备好信道读取或相对放置操作的一个新的序列：它设置了限制的能力和位置为零。

• flip()使缓冲区准备好新的通道写入或相对获取操作序列：它将限制设置为当前位置，然后将位置设置为零。

• rewind()使缓冲区准备好重新读取已经包含的数据：它保持限制不变，并将位置设置为零。

举例说明Buffer中各个属性：

package stream.nio;

import java.nio.ByteBuffer;

public class BufferTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个10个字节的缓冲区,有两种方法
        byte[] bytes = new byte[10];
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(bytes);
        //ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
        System.out.println("创建缓冲区后的buffer信息为...");
        printBufferInfo(byteBuffer);
        //为缓冲区赋值
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            byteBuffer.put((byte) i);
        }
        System.out.println("初始赋值后的buffer信息为...");
        printBufferInfo(byteBuffer);

        //bufferTest1(byteBuffer);
        //bufferTest2(byteBuffer);
    }

    /**
     * 打印Buffer中的信息
     * @param byteBuffer
     */
    public static void printBufferInfo(ByteBuffer byteBuffer) {
        System.out.println("limit = " + byteBuffer.limit());
        System.out.println("capacity = " + byteBuffer.capacity());
        System.out.println("position = " + byteBuffer.position());
    }

    public static void bufferTest1(ByteBuffer byteBuffer) {
        //调用mark方法，标记此时的position
        byteBuffer.mark();

        //继续为缓冲区赋值
        byteBuffer.put((byte) 6);
        byteBuffer.put((byte) 7);
        byteBuffer.put((byte) 8);
        System.out.println("再次赋值后的buffer信息为...");
        printBufferInfo(byteBuffer);

        System.out.println("-----------reset()方法---------------");
        //调用reset方法，回到mark标记的position位置
        byteBuffer.reset();

        System.out.println("调用reset方法后的buffer信息为...");
        printBufferInfo(byteBuffer);

        System.out.println("打印buffer position后的内容...");
        while (byteBuffer.remaining() > 0) {
            //调用此方法后，会影响position的位置
            System.out.print(byteBuffer.get());
        }
        System.out.println();
        System.out.println("-----------reset()方法---------------");

        System.out.println("打印此时buffer信息为...");
        printBufferInfo(byteBuffer);
    }

    public static void bufferTest2(ByteBuffer byteBuffer) {

        //调用flip方法，转换缓冲区的可操作性位置
        byteBuffer.flip();
        System.out.println("调用flip方法后的buffer信息为...");
        printBufferInfo(byteBuffer);

        System.out.println("-----------rewind()方法---------------");
        System.out.println("读取缓冲区中的信息...");
        while (byteBuffer.remaining() > 0) {
            System.out.print(byteBuffer.get());
        }
        System.out.println();

        //调用rewind方法
        byteBuffer.rewind();
        System.out.println("调用rewind方法后再次读取缓冲区中的信息...");
        while (byteBuffer.remaining() > 0) {
            System.out.print(byteBuffer.get());
        }
        System.out.println();
        System.out.println("-----------rewind()方法---------------");

        //调用clear方法，转换缓冲区的可操作性位置
        byteBuffer.clear();
        System.out.println("调用clear方法后的buffer信息为...");
        printBufferInfo(byteBuffer);
    }

    public static void bufferTest3(ByteBuffer byteBuffer) {
        //创建子缓存区
        byteBuffer.position(3);
        byteBuffer.limit(7);
        ByteBuffer slice = byteBuffer.slice();

        //子缓存区重新赋值
        for (int i = 0; i < slice.capacity(); i++) {
            slice.put((byte) i);
        }

        byteBuffer.position(0);
        byteBuffer.limit(byteBuffer.capacity());

        //打印之前的缓存区，值变成子缓存区的内容了
        while (byteBuffer.remaining() > 0) {
            System.out.println(byteBuffer.get());
        }
    }
}

打印结果如下：

创建缓冲区后的buffer信息为...
limit = 10
capacity = 10
position = 0
初始赋值后的buffer信息为...
limit = 10
capacity = 10
position = 5

打开bufferTest1()方法测试mark()方法。运行结果如下：

再次赋值后的buffer信息为...
limit = 10
capacity = 10
position = 8
-----------reset()方法---------------
调用reset方法后的buffer信息为...
limit = 10
capacity = 10
position = 5
打印buffer position后的内容...
67800
-----------reset()方法---------------
打印此时buffer信息为...
limit = 10
capacity = 10
position = 10

 可以发现，reset()方法确实将position值设置到了调用mark()方法时的位置。而且读取完buffer信息后，position的位置也到了所定义的最大长度。

注释bufferTest1()方法，打开bufferTest2()方法测试rewind()等方法。运行结果如下：

调用flip方法后的buffer信息为...
limit = 5
capacity = 10
position = 0
-----------rewind()方法---------------
读取缓冲区中的信息...
01234
调用rewind方法后再次读取缓冲区中的信息...
01234
-----------rewind()方法---------------
调用clear方法后的buffer信息为...
limit = 10
capacity = 10
position = 0

 从结果可知，调用flip()方法，其实就是将读取写入的部分。我们刚刚写入了五个数据，所以我们也就之能读取0-4位置的数据。rewind()方法是可以让我们重新读取一次。之前读过的数据不调用clear()方法，是不会被清除掉。

Channel（通道）

Channel是一个对象，可以通过它读取和写入数据。Channel和传统IO中的Stream很相似。主要区别为：通道是双向的，通过一个Channel既可以进行读，也可以进行写；而Stream只能进行单向操作，通过一个Stream只能进行读或者写，比如InputStream只能进行读取操作，OutputStream只能进行写操作；但是Channel中的所有数据都通过Buffer对象来处理。我们永远不会将字节直接写入通道中，相反是将数据写入包含一个或者多个字节的缓冲区。同样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。

NIO中Channel的主要实现有：FileChannel（文件通道），DatagramChannel（UDP包通道），SocketChannel（socket客户端通道），ServerSocketChannel（socket服务端通道）。SocketChannel模拟连接导向的流协议（如TCP/IP），DatagramChannel则模拟包导向的无连接协议（如UDP/IP）。

Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读写的数据都必须经过Buffer。Channel和Buffer的关系如图：

Selector（选择器）

Selector（选择器）提供了选择已经就绪的任务的能力。Selector会不断的轮询注册在上面的所有channel，如果某个channel为读写等事件做好准备，那么就处于就绪状态，对就绪状态的channel进行后续的IO操作。一个Selector能够同时轮询多个channel。这样，一个单独的线程就可以管理多个channel，从而管理多个网络连接。这样就不用为每一个连接都创建一个线程，同时也避免了多线程之间上下文切换导致的开销。
与Selector有关的一个关键类是SelectionKey，一个SelectionKey表示一个到达的事件，主要有OP_ACCEPT（用于套接字准备接受操作位）、OP_CONNECT（用于套接字连接操作的操作位）、OP_READ（读操作的操作位）、OP_WRITE（写操作的操作位）。通过判断SelectionKey处于什么样的状态，进而做对应的操作。

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为了避免篇幅太长，影响阅读体验，同时也是想对NIO一层一层的了解，一下灌入太多也不好，所以打算分几篇来介绍学习。上面说了一些概念的东西以及Buffer的相关使用，下一篇将会探究一下Channel和Selector。