Java NIO （图解+秒懂+史上最全）

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java NIO （图解+秒懂+史上最全）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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而且，《Java高并发核心编程卷1》的电子书，会不断优化和迭代。最新一轮的迭代，增加了 消息驱动IO模型的内容，这是之前没有的，使得在 Java NIO 底层原理这块，书的内容变得非常全面。
另外，如果出现内容需要更新，到处要更新的话，工作量会很大，所以后续的更新，都会统一到电子书哦。

核心基础：Java NIO核心详解

高性能的Java通信，绝对离不开Java
NIO组件，现在主流的技术框架或中间件服务器，都使用了Java NIO组件，譬如Tomcat、Jetty、Netty。

学习和掌握Java NIO组件，已经不是一项加分技能，而是一项必备技能。

不管是面试，还是实际开发，作为Java“攻城狮”（工程师的谐音），都必须掌握NIO的原理和开发实践技能。

NIO的起源

NIO技术是怎么来的？为啥需要这个技术呢？先给出一份在Java NIO出来之前，服务器端同步阻塞I/O处理（也就是BIO，Blocking I/O）的参考代码：


class ConnectionPerThreadWithPool implements Runnable
{
    public void run()
    {
        //线程池
        //注意，生产环境不能这么用，具体请参考《java高并发核心编程卷2》
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(100);
        try
        {
            //服务器监听socket
            ServerSocket serverSocket =
                    new ServerSocket(NioDemoConfig.SOCKET_SERVER_PORT);
           //主线程死循环, 等待新连接到来
            while (!Thread.interrupted())
            {
                Socket socket = serverSocket.accept();
                //接收一个连接后，为socket连接，新建一个专属的处理器对象
                Handler handler = new Handler(socket);
                //创建新线程来handle
                //或者，使用线程池来处理
                new Thread(handler).start();
            }

        } catch (IOException ex)
        { /* 处理异常 */ }
    }

    static class Handler implements Runnable
    {
        final Socket socket;
        Handler(Socket s)
        {
            socket = s;
        }
        public void run()
        {
            //死循环处理读写事件
            boolean ioCompleted=false;
            while (!ioCompleted)
            {
                try
                {
                    byte[] input = new byte[NioDemoConfig.SERVER_BUFFER_SIZE];
                    /* 读取数据 */
                    socket.getInputStream().read(input);
                    // 如果读取到结束标志
                    // ioCompleted= true
                    // socket.close();

                    /* 处理业务逻辑，获取处理结果 */
                    byte[] output = null;
                    /* 写入结果 */
                    socket.getOutputStream().write(output);
                } catch (IOException ex)
                { /*处理异常*/ }
            }
        }
    }
}

以上示例代码中，对于每一个新的网络连接，都通过线程池分配给一个专门线程去负责IO处理。每个线程都独自处理自己负责的socket连接的输入和输出。当然，服务器的监听线程也是独立的，任何的socket连接的输入和输出处理，不会阻塞到后面新socket连接的监听和建立，这样，服务器的吞吐量就得到了提升。早期版本的Tomcat服务器，就是这样实现的。

这是一个经典的每连接每线程的模型——Connection Per Thread模式。这种模型，在活动连接数不是特别高（小于单机1000）的情况下，这种模型是比较不错的，可以让每一个连接专注于自己的I/O并且编程模型简单，也不用过多考虑系统的过载、限流等问题。此模型往往会结合线程池使用，线程池本身就是一个天然的漏斗，可以缓冲一些系统处理不了的连接或请求。

不过，这个模型最本质的问题在于，严重依赖于线程。但线程是很”贵”的资源，主要表现在：

  • 1 线程的创建和销毁成本很高，线程的创建和销毁都需要通过重量级的系统调用去完成。

  • 2.线程本身占用较大内存，像Java的线程的栈内存，一般至少分配512K～1M的空间，如果系统中的线程数过千，整个JVM的内存将被耗用1G。

  • 3.线程的切换成本是很高的。操作系统发生线程切换的时候，需要保留线程的上下文，然后执行系统调用。过多的线程频繁切换带来的后果是，可能执行线程切换的时间甚至会大于线程执行的时间，这时候带来的表现往往是系统CPU sy值特别高（超过20%以上)的情况，导致系统几乎陷入不可用的状态。

说 明

CPU利用率为CPU在用户进程、内核、中断处理、IO等待以及空闲时间五个部分使用百分比。人们往往通过五个部分的各种组合，用来分析CPU消耗情况的关键指标。CPU sy值表示内核线程处理所占的百分比。

如果使用linux 的top命令去查看当前系统的资源，会输出下面的一些指标：

top - 23:22:02 up 5:47, 1 user, load average: 0.00, 0.00, 0.00

Tasks: 107 total, 1 running, 106 sleeping, 0 stopped, 0 zombie

%Cpu(s): 0.3%us, 0.3%sy, 0.0%ni, 99.3%id, 0.0%wa, 0.0%hi, 0.0%si,0.0%st

Mem: 1017464k total, 359292k used, 658172k free, 56748k buffers

Swap: 2064376k total, 0k used, 2064376k free, 106200k cached

这里关注的是输出信息的第三行，其中：0.4%us表示用户进程所占的百分比；0.3%sy表示内核线程处理所占的百分比；0.0%ni表示被nice命令改变优先级的任务所占的百分比；99.3%id表示CPU空闲时间所占的百分比；0.0%wa表示等待IO所占的百分比；0.0%hi表示硬件中断所占的百分比，0.0%si表示为软件中断所占的百分比。

所以，当 CPU sy 值高时，表示系统调用耗费了较多的 CPU，对于 Java 应用程序而言，造成这种现象的主要原因是启动的线程比较多，并且这些线程多数都处于不断的等待（例如锁等待状态）和执行状态的变化过程中，这就导致了操作系统要不断的调度这些线程，切换执行。

  • 4.容易造成锯齿状的系统负载。因为系统负载是用活动线程数或CPU核心数，一旦线程数量高但外部网络环境不是很稳定，就很容易造成大量请求同时到来，从而激活大量阻塞线程从而使系统负载压力过大。

说 明

系统负载（System
Load），指当前正在被CPU执行和等待被CPU执行的进程数目总和，是反映系统忙闲程度的重要指标。当load值低于CPU数目时，表示CPU有空闲，资源存在浪费；当load值高于CPU数目时，表示进程在排队等待CPU，表示系统资源不足，影响应用程序的执行性能。

总之，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的BIO模型是无能为力的。

但是，高并发的需求却越来越普通，随着移动端应用的兴起和各种网络游戏的盛行，百万级长连接日趋普遍，此时，必然需要一种更高效的I/O处理组件——这就是Java的NIO编程组件。

Java NIO简介

在1.4版本之前，JavaIO类库是阻塞式IO；从1.4版本开始，引进了新的异步IO库，被称为Java New IO类库，简称为Java NIO。

Java NIO类库的目标，就是要让Java支持非阻塞IO，基于这个原因，更多的人喜欢称Java NIO为非阻塞IO（Non-Block IO），称“老的”阻塞式Java IO为OIO（Old IO）。总体上说，NIO弥补了原来面向流的OIO同步阻塞的不足，它为标准Java代码提供了高速的、面向缓冲区的IO。

Java NIO类库包含以下三个核心组件：

  • Channel（通道）

  • Buffer（缓冲区）

  • Selector（选择器）

如果理解了第2章的四种IO模型，大家一眼就能识别出来，Java NIO，属于第三种模型—— IO 多路复用模型。只不过，Java
NIO组件提供了统一的应用开发API，为大家屏蔽了底层的操作系统的差异。

后面的章节，我们会对以上的三个Java NIO的核心组件，展开详细介绍。先来看看Java的NIO和OIO的简单对比。

NIO和OIO的对比

在Java中，NIO和OIO的区别，主要体现在三个方面：

（1）OIO是面向流（Stream Oriented）的，NIO是面向缓冲区（Buffer Oriented）的。

问题是：什么是面向流，什么是面向缓冲区呢？

在面向流的OIO操作中，IO的 read() 操作总是以流式的方式顺序地从一个流（Stream）中读取一个或多个字节，因此，我们不能随意地改变读取指针的位置，也不能前后移动流中的数据。

而NIO中引入了Channel（通道）和Buffer（缓冲区）的概念。面向缓冲区的读取和写入，都是与Buffer进行交互。用户程序只需要从通道中读取数据到缓冲区中，或将数据从缓冲区中写入到通道中。NIO不像OIO那样是顺序操作，可以随意地读取Buffer中任意位置的数据，可以随意修改Buffer中任意位置的数据。

（2）OIO的操作是阻塞的，而NIO的操作是非阻塞的。

OIO的操作是阻塞的，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。例如，我们调用一个read方法读取一个文件的内容，那么调用read的线程会被阻塞住，直到read操作完成。

NIO如何做到非阻塞的呢？当我们调用read方法时，系统底层已经把数据准备好了，应用程序只需要从通道把数据复制到Buffer（缓冲区）就行；如果没有数据，当前线程可以去干别的事情，不需要进行阻塞等待。

NIO的非阻塞是如何做到的呢？

其实在上一章，答案已经揭晓了，根本原因是：NIO使用了通道和通道的IO多路复用技术。

（3）OIO没有选择器（Selector）概念，而NIO有选择器的概念。

NIO技术的实现，是基于底层的IO多路复用技术实现的，比如在Windows中需要select多路复用组件的支持，在Linux系统中需要select/poll/epoll多路复用组件的支持。所以NIO的需要底层操作系统提供支持。而OIO不需要用到选择器。

通道（Channel）

前面提到，Java NIO类库包含以下三个核心组件：

  • Channel（通道）

  • Buffer（缓冲区）

  • Selector（选择器）

首先说一下Channel，国内大多翻译成“通道”。Channel的角色和OIO中的Stream(流)是差不多的。在OIO中，同一个网络连接会关联到两个流：一个输入流（Input Stream），另一个输出流（Output Stream），Java应用程序通过这两个流，不断地进行输入和输出的操作。

在NIO中，一个网络连接使用一个通道表示，所有的NIO的IO操作都是通过连接通道完成的。一个通道类似于OIO中的两个流的结合体，既可以从通道读取数据，也可以向通道写入数据。

Channel和Stream的一个显著的不同是：Stream是单向的，譬如InputStream是单向的只读流，OutputStream是单向的只写流；而Channel是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。

NIO中的Channel的主要实现有：

  • 1.FileChannel 用于文件IO操作

  • 2.DatagramChannel 用于UDP的IO操作

  • 3.SocketChannel 用于TCP的传输操作

  • 4.ServerSocketChannel 用于TCP连接监听操作

选择器（Selector）

首先，回顾一个前面介绍的基础知识，什么是IO多路复用模型？

IO多路复用指的是一个进程/线程可以同时监视多个文件描述符（含socket连接），一旦其中的一个或者多个文件描述符可读或者可写，该监听进程/线程能够进行IO事件的查询。

在Java应用层面，如何实现对多个文件描述符的监视呢？

需要用到一个非常重要的Java NIO组件——Selector 选择器。Selector选择器可以理解为一个IO事件的监听与查询器。通过选择器，一个线程可以查询多个通道的IO事件的就绪状态。

在介绍Selector选择器之前，首先介绍一下这个前置的概念：IO事件。

什么是IO事件呢？

表示通道某种IO操作已经就绪、或者说已经做好了准备。

例如，如果一个新Channel链接建立成功了，就会在Server Socket Channel上发生一个IO事件，代表一个新连接一个准备好，这个IO事件叫做“接收就绪”事件。

再例如，一个Channel通道如果有数据可读，就会发生一个IO事件，代表该连接数据已经准备好，这个IO事件叫做“读就绪”事件。

Java NIO将NIO事件进行了简化，只定义了四个事件，这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示：

  • SelectionKey.OP_CONNECT

  • SelectionKey.OP_ACCEPT

  • SelectionKey.OP_READ

  • SelectionKey.OP_WRITE

说 明

各个操作系统定义的IO事件，复杂得多，Java NIO 底层完成了操作系统IO事件，到Java NIO 事件的映射。这部分底层原理比较深奥，如果有兴趣，可以去看我的视频。

在大家了解了IO事件之后，再回头来看Selector选择器。Selector的本质，就是去查询这些IO就绪事件，所以，它的名称就叫做
Selector查询者。

从编程实现维度来说，IO多路复用编程的第一步，是把通道注册到选择器中，第二步则是通过选择器所提供的事件查询（select）方法，这些注册的通道是否有已经就绪的IO事件（例如可读、可写、网络连接完成等）。

由于一个选择器只需要一个线程进行监控，所以，我们可以很简单地使用一个线程，通过选择器去管理多个连接通道。

与OIO相比，NIO使用选择器的最大优势：系统开销小，系统不必为每一个网络连接（文件描述符）创建进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

总之，通过Java NIO可以达到一个线程负责多个连接通道的IO处理，这是非常高效的。这种高效，恰恰就来自于Java的选择器组件Selector以及其底层的操作系统IO多路复用技术的支持。

缓冲区（Buffer）

应用程序与通道（Channel）主要的交互，主要是进行数据的read读取和write写入。为了完成NIO的非阻塞读写操作，NIO为大家准备了第三个重要的组件——NIO Buffer（NIO缓冲区）。

Buffer顾名思义：缓冲区，实际上是一个容器，一个连续数组。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。

所谓通道的读取，就是将数据从通道读取到缓冲区中；所谓通道的写入，就是将数据从缓冲区中写入到通道中。缓冲区的使用，是面向流进行读写操作的OIO所没有的，也是NIO非阻塞的重要前提和基础之一。

接下来笔者从缓冲区开始，为大家详细介绍NIO的Buffer（缓冲区）、Channel（通道）、Selector（选择器）三大核心组件。

详解NIO Buffer类及其属性

NIO的Buffer（缓冲区）本质上是一个内存块，既可以写入数据，也可以从中读取数据。Java NIO中代表缓冲区的Buffer类是一个抽象类，位于java.nio包中。

NIO的Buffer的内部是一个内存块（数组），此类与普通的内存块（Java数组）不同的是：NIO Buffer对象，提供了一组比较有效的方法，用来进行写入和读取的交替访问。

说 明

Buffer类是一个非线程安全类。

Buffer类

Buffer类是一个抽象类，对应于Java的主要数据类型，在NIO中有8种缓冲区类，分别如下：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer、MappedByteBuffer。

前7种Buffer类型，覆盖了能在IO中传输的所有的Java基本数据类型。第8种类型MappedByteBuffer是专门用于内存映射的一种ByteBuffer类型。不同的Buffer子类，其能操作的数据类型能够通过名称进行判断，比如IntBuffer只能操作Integer类型的对象。

实际上，使用最多的还是ByteBuffer二进制字节缓冲区类型，后面会看到。

Buffer类的重要属性

Buffer的子类会拥有一块内存，作为数据的读写缓冲区，但是读写缓冲区并没有定义在Buffer基类，而是定义在具体的子类中。如ByteBuf子类就拥有一个byte[]类型的数组成员final byte[] hb，作为自己的读写缓冲区，数组的元素类型与Buffer子类的操作类型相互对应。

说 明

在本书的上一个版本中，这里的内容为：Buffer内部有一个byte[]类型的数组作为数据的读写缓冲区。咋看上去没有什么错误，实际上是这个结论是错误的。具体原因：作为读写缓冲区的数组，并没有定义在Buffer类中，而是定义在各具体子类中。
感谢社群小伙伴 @炬，是他发现了这个藏得比较隐蔽的编写错误。

为了记录读写的状态和位置，Buffer类额外提供了一些重要的属性，其中有以下三个重要的成员属性：

  • capacity（容量）

  • position（读写位置）

  • limit（读写的限制）

接下来对以上三个成员属性，进行比较详细的介绍。

  1. capacity属性

Buffer类的capacity属性，表示内部容量的大小。一旦写入的对象数量超过了capacity容量，缓冲区就满了，不能再写入了。

Buffer类的capacity属性一旦初始化，就不能再改变。原因是什么呢？Buffer类的对象在初始化时，会按照capacity分配内部数组的内存，在数组内存分配好之后，它的大小当然就不能改变了。

前面讲到，Buffer类是一个抽象类，Java不能直接用来新建对象。在具体使用的时候，必须使用Buffer的某个子类，例如DoubleBuffer子类，该子类能写入的数据类型是double类型，如果在创建实例时其capacity是100，那么我们最多可以写入100个double类型的数据。

说 明

capacity容量并不是指内部的内存块byte[]数组的字节数量，而是指能写入的数据对象的最大限制数量。

  1. position属性

Buffer类的position属性，表示当前的位置。position属性的值与缓冲区的读写模式有关。在不同的模式下，position属性值的含义是不同的，在缓冲区进行读写的模式改变时，position值会进行相应的调整。

在写入模式下，position的值变化规则如下：

（1）在刚进入到写入模式时，position值为0，表示当前的写入位置为从头开始。

（2）每当一个数据写到缓冲区之后，position会向后移动到下一个可写的位置。

（3）初始的position值为0，最大可写值为limit–1。当position值达到limit时，缓冲区就已经无空间可写了。

在读模式下，position的值变化规则如下：

（1）当缓冲区刚开始进入到读取模式时，position会被重置为0。

（2）当从缓冲区读取时，也是从position位置开始读。读取数据后，position向前移动到下一个可读的位置。

（3）在读模式下，limit表示可以读上限。position的最大值，为最大可读上限limit，当position达到limit时，表明缓冲区已经无数据可读。

Buffer的读写模式具体如何切换呢？当新建了一个缓冲区实例时，缓冲区处于写入模式，这时是可以写数据的。在数据写入完成后，如果要从缓冲区读取数据，这就要进行模式的切换，可以使用（即调用）flip翻转方法，将缓冲区变成读取模式。

在从写入模式到读取模式的flip翻转过程中，position和limit属性值会进行调整，具体的规则是：

（1）limit属性被设置成写入模式时的position值，表示可以读取的最大数据位置；

（2）position由原来的写入位置，变成新的可读位置，也就是0，表示可以从头开始读。

  1. limit属性

Buffer类的limit属性，表示可以写入或者读取的最大上限，其属性值的具体含义，也与缓冲区的读写模式有关，在不同的模式下，limit的值的含义是不同的，具体分为以下两种情况：

（1）在写入模式下，limit属性值的含义为可以写入的数据最大上限。在刚进入到写入模式时，limit的值会被设置成缓冲区的capacity容量值，表示可以一直将缓冲区的容量写满。

（2）在读取模式下，limit的值含义为最多能从缓冲区中读取到多少数据。

一般来说，在进行缓冲区操作时，是先写入然后再读取的。当缓冲区写入完成后，就可以开始从Buffer读取数据，可以使用flip翻转方法，这时，limit的值也会进行调整。具体如何调整呢？将写入模式下的position值，设置成读取模式下的limit值，也就是说，将之前写入的最大数量，作为可以读取的上限值。

Buffer在flip翻转时的属性值调整，主要涉及position、limit两个属性，但是这种调整比较微妙，不是太好理解，下面是一个简单例子：

首先，创建缓冲区。新创建的缓冲区处于写入模式，其position值为0，limit值为最大容量capacity。

然后，向缓冲区写数据。每写入一个数据，position向后面移动一个位置，也就是position的值加1。这里假定写入了5个数，当写入完成后，position的值为5。

最后，使用flip方法将缓冲区切换到读模式。limit的值，先会被设置成写入模式时的position值，所以新的limit值是5，表示可以读取的最大上限是5。之后调整position值，新的position会被重置为0，表示可以从0开始读。

缓冲区切换到读模式后，就可以从缓冲区读取数据了，一直到缓冲区的数据读取完毕。

除了以上capacity（容量）、position（读写位置）、limit（读写的限制）三个重要属性之外，Buffer还有一个比较重要的标记属性：mark（标记）属性。该属性的大致作用为：在缓冲区操作过程当中，可以将当前的position的值临时存入mark属性中；需要的时候，可以再从mark中取出暂存的标记值，恢复到position属性中，重新从position位置开始处理。

Buffer的4个属性小结

除了capacity（容量）、position（读写位置）、limit（读写的限制）三个重要属性，第4个属性mark（标记）比较简单，该属性是一个暂存属性，用于暂存position的值，方便后面的重复使用。

下面用一个表格总结一下 Buffer类的4个重要属性，参见表3-1。

表3-1 Buffer四个重要属性的取值说明

属性说明
capacity容量，即可以容纳的最大数据量；在缓冲区创建时设置并且不能改变
limit上限，缓冲区中当前的数据量
position位置，缓冲区中下一个要被读或写的元素的索引
mark调用mark()方法来设置mark=position，再调用reset()可以让position恢复到mark标记的位置，即position=mark

详解NIO Buffer类的重要方法

本小节将详细介绍Buffer类常用的几个方法，包含Buffer实例创建、对Buffer实例的写入、读取、重复读、标记和重置等。

allocate()创建缓冲区

在使用Buffer（缓冲区）实例之前，我们首先需要获取Buffer子类的实例对象，并且分配内存空间。如果需要获取一个Buffer实例对象，并不是使用子类的构造器来创建一个实例对象，而是调用子类的allocate()方法。

下面的程序片段，演示如何获取一个整型的Buffer实例对象，代码如下：

package com.crazymakercircle.bufferDemo;
import com.crazymakercircle.util.Logger;
import java.nio.IntBuffer;

public class UseBuffer
{
	//一个整型的Buffer静态变量
	static IntBuffer intBuffer = null;
	public static void allocateTest()
	{
//创建了一个Intbuffer实例对象
		intBuffer = IntBuffer.allocate(20); 
		Logger.debug("------------after allocate------------------");
		Logger.debug("position=" + intBuffer.position());
		Logger.debug("limit=" + intBuffer.limit());
		Logger.debug("capacity=" + intBuffer.capacity());
	}
    //...省略其他代码
}

例子中，IntBuffer是具体的Buffer子类，通过调用IntBuffer.allocate(20)，创建了一个Intbuffer实例对象，并且分配了20*4个字节的内存空间。运行程序之后，通过程序的输出结果，我们可以查看一个新建缓冲区实例对象的主要属性值，如下所示：

allocatTest \\|\\> ------------after allocate------------------

allocatTest \\|\\> position=0

allocatTest \\|\\> limit=20

allocatTest \\|\\> capacity=20

从上面的运行结果，可以看出：一个缓冲区在新建后，处于写入的模式，position属性（代表写入位置）的值为0，缓冲区的capacity容量值也是初始化时allocate方法的参数值（这里是20），而limit最大可写上限值也为的allocate方法的初始化参数值。

put()写入到缓冲区

在调用allocate方法分配内存、返回了实例对象后，缓冲区实例对象处于写模式，可以写入对象，而如果要写入对象到缓冲区，需要调用put方法。put方法很简单，只有一个参数，即为所需要写入的对象。只不过，写入的数据类型要求与缓冲区的类型保持一致。

接着前面的例子，向刚刚创建的intBuffer缓存实例对象中，写入的5个整数，代码如下：

package com.crazymakercircle.bufferDemo;
…省略import
public class UseBuffer
{
	//一个整型的Buffer静态变量
	static IntBuffer intBuffer = null;
    //...省略了创建缓冲区的代码，具体查看前面小节的内容和随书源码
	    public static void putTest()
    {
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
		  	  //写入一个整数到缓冲区
            intBuffer.put(i);
        }
		
        //输出缓冲区的主要属性值
        Logger.debug("------------after putTest------------------");
        Logger.debug("position=" + intBuffer.position());
        Logger.debug("limit=" + intBuffer.limit());
        Logger.debug("capacity=" + intBuffer.capacity());
    }
    //...省略其他代码
}

写入5个元素后，同样输出缓冲区的主要属性值，输出的结果如下：

putTest |>  ------------after putTest------------------ 
putTest |>  position=5 
putTest |>  limit=20 
putTest |>  capacity=20

从结果可以看到，写入了5个元素之后，缓冲区的position属性值变成了5，所以指向了第6个（从0开始的）可以进行写入的元素位置。而limit最大可写上限、capacity最大容量两个属性的值，都没有发生变化。

flip()翻转

向缓冲区写入数据之后，是否可以直接从缓冲区中读取数据呢？呵呵，不能。为什么呢？这时缓冲区还处于写模式，如果需要读取数据，还需要将缓冲区转换成读模式。flip()翻转方法是Buffer类提供的一个模式转变的重要方法，它的作用就是将写入模式翻转成读取模式。

接着前面的例子，演示一下flip()方法的使用：


package com.crazymakercircle.bufferDemo;
…省略import
public class UseBuffer
{
	//一个整型的Buffer静态变量
	static IntBuffer intBuffer = null;
  //...省略了缓冲区的创建、写入数据的代码，具体查看前面小节的内容和随书源码
	public static void flipTest()
	{
			//翻转缓冲区，从写入模式翻转成读取模式			
			intBuffer.flip();
			//输出缓冲区的主要属性值			
			Logger.info("------------after flip ------------------");
			Logger.info("position=" + intBuffer.position());
			Logger.info("limit=" + intBuffer.limit());
				Logger.info("capacity=" + intBuffer.capacity());
		}
    //...省略其他代码
}

在调用flip方法进行缓冲区的模式翻转之后，通过程序的输出内容可以看到，缓冲区的属性有了奇妙的变化，具体如下：

flipTest |>  ------------after flipTest ------------------ 
flipTest |>  position=0 
flipTest |>  limit=5 
flipTest |>  capacity=20

调用flip方法后，新模式下可读上限limit的值，变成了之前写入模式下的position属性值，也就是5；而新的读取模式下的position值，简单粗暴地变成了0，表示从头开始读取。

对flip()方法的从写入到读取转换的规则，再一次详细的介绍如下：

（1）首先，设置可读上限limit的属性值。将写入模式下的缓冲区中内容的最后写入位置position值，作为读取模式下的limit上限值。

（2）其次，把读的起始位置position的值设为0，表示从头开始读。

（3）最后，清除之前的mark标记，因为mark保存的是写入模式下的临时位置，发生模式翻转后，如果继续使用旧的mark标记，会造成位置混乱。

有关上面的三步，其实可以查看Buffer.flip()方法的源代码，具体代码如下：


public final Buffer flip() {
    limit = position;  //设置可读的长度上限limit,设置为写入模式下的position值
    position = 0;       //把读的起始位置position的值设为0，表示从头开始读
 mark = UNSET_MARK;  // 清除之前的mark标记
    return this;
}

当然，新的问题来了：在读取完成后，如何再一次将缓冲区切换成写入模式呢？答案是：可以调用Buffer.clear()
清空或者Buffer.compact()压缩方法，它们可以将缓冲区转换为写模式。总体的Buffer模式转换，大致如图3-1所示。

图3-1 缓冲区读写模式的转换

get()从缓冲区读取

使用调用flip方法将缓冲区切换成读取模式之后，就可以开始从缓冲区中进行数据读取了。读取数据的方法很简单，可以调用get方法每次从position的位置读取一个数据，并且进行相应的缓冲区属性的调整。

接着前面flip的使用实例，演示一下缓冲区的读取操作，代码如下：

package com.crazymakercircle.bufferDemo;

…省略import

public class UseBuffer

{

//一个整型的Buffer静态变量

static IntBuffer intBuffer = null;

//…省略了缓冲区的创建、写入、翻转的代码，具体查看前面小节的内容和随书源码

public static void getTest()

{

//先读2个数据

for (int i = 0; i< 2; i++)

{

int j = intBuffer.get();

Logger.info("j = " + j);

}

//输出缓冲区的主要属性值

Logger.info("---------after get 2 int --------------");

Logger.info(“position=” + intBuffer.position());

Logger.info(“limit=” + intBuffer.limit());

Logger.info(“capacity=” + intBuffer.capacity());

//再读3个数据

for (int i = 0; i< 3; i++)

{

int j = intBuffer.get();

Logger.info("j = " + j);

}

//输出缓冲区的主要属性值

Logger.info("---------after get 3 int ---------------");

Logger.info(“position=” + intBuffer.position());

Logger.info(“limit=” + intBuffer.limit());

Logger.info(“capacity=” + intBuffer.capacity());

}

//…

}

//…省略其他代码

}

以上代码调用get方法从缓冲实例中先读取2个，再读取3个元素，运行后，输出的结果如下：

getTest |> ------------after get 2 int ------------------

getTest |> position=2

getTest |> limit=5

getTest |> capacity=20

getTest |> ------------after get 3 int ------------------

getTest |> position=5

getTest |> limit=5

getTest |> capacity=20

从程序的输出结果，我们可以看到，读取操作会改变可读位置position的属性值，而limit可读上限值并不会改变。在position值和limit的值相等时，表示所有数据读取完成，position指向了一个没有数据的元素位置，已经不能再读了。此时再读，会抛出BufferUnderflowException异常。

那么，在读完之后是否可以立即对缓冲区进行数据写入呢？答案是不能。现在还处于读取模式，我们必须调用Buffer.clear()或Buffer.compact()方法，即清空或者压缩缓冲区，将缓冲区切换成写入模式，让其重新可写。

此外还有一个问题：缓冲区是不是可以重复读呢？答案是可以的，既可以通过倒带方法rewind()去完成，也可以通过mark(
)和reset( )两个方法组合实现。

rewind()倒带

已经读完的数据，如果需要再读一遍，可以调用rewind()方法。rewind()也叫倒带，就像播放磁带一样倒回去，再重新播放。

接着前面的示例代码，继续rewind方法使用的演示，示例代码如下：

package com.crazymakercircle.bufferDemo;

…省略import

public class UseBuffer

{

//一个整型的Buffer静态变量

static IntBuffer intBuffer = null;

//…省略了缓冲区的写入和读取等代码，具体查看前面小节的内容和随书源码

public static void rewindTest() {

//倒带

intBuffer.rewind();

//输出缓冲区属性

Logger.info("------------after rewind ------------------");

Logger.info(“position=” + intBuffer.position());

Logger.info(“limit=” + intBuffer.limit());

Logger.info(“capacity=” + intBuffer.capacity());

}

//…省略其他代码

}

这个范例程序的执行结果如下：

rewindTest |> ------------after rewind ------------------

rewindTest |> position=0

rewindTest |> limit=5

rewindTest |> capacity=20

rewind
()方法，主要是调整了缓冲区的position属性与mark标记属性，具体的调整规则如下：

（1）position重置为0，所以可以重读缓冲区中的所有数据；

（2）limit保持不变，数据量还是一样的，仍然表示能从缓冲区中读取的元素数量；

（3）mark标记被清理，表示之前的临时位置不能再用了。

从JDK中可以查阅到Buffer.rewind()方法的源代码，具体如下：

public final Buffer rewind() {

position = 0;//重置为0，所以可以重读缓冲区中的所有数据

mark = -1; // mark标记被清理，表示之前的临时位置不能再用了

return this;

}

通过源代码，我们可以看到rewind()方法与flip()很相似，区别在于：倒带方法rewind()不会影响limit属性值；而翻转方法flip()会重设limit属性值。

在rewind倒带之后，就可以再一次读取，重复读取的示例代码如下：

package com.crazymakercircle.bufferDemo;

…省略import

public class UseBuffer

{

//一个整型的Buffer静态变量

static IntBuffer intBuffer = null;

//…省略了缓冲区的写入和读取、倒带等代码，具体查看前面小节的内容和随书源码

public static void reRead() {

for (int i = 0; i< 5; i++) {

if (i == 2) {

//临时保存，标记一下第3个位置

intBuffer.mark();

}

//读取元素

int j = intBuffer.get();

Logger.info("j = " + j);

}

//输出缓冲区的属性值

Logger.info("------------after reRead------------------");

Logger.info(“position=” + intBuffer.position());

Logger.info(“limit=” + intBuffer.limit());

Logger.info(“capacity=” + intBuffer.capacity());

}

//…省略其他代码

}

这段代码，和前面的读取示例代码基本相同，只是增加了一个mark调用。大家可以通过随书源码工程执行以上代码并观察输出结果，具体的输出与前面的类似，这里不做赘述。

mark( )和reset( )

mark( )和reset(
)两个方法是成套使用的：Buffer.mark()方法将当前position的值保存起来，放在mark属性中，让mark属性记住这个临时位置；之后，可以调用Buffer.reset()方法将mark的值恢复到position中。

说 明

Buffer.mark()和Buffer.reset()两个方法都涉及到mark属性的使用。mark()方法与mark属性，二者的名字虽然相同，但是一个是Buffer类的成员方法，另一个是Buffer类的成员属性，不能混淆。

例如，可以在前面重复读取的示例代码中，在读到第3个元素（i为2时）时，可以调用mark()方法，把当前位置position的值保存到mark属性中，这时mark属性的值为2。

然后，就可以调用reset(
)方法，将mark属性的值恢复到position中，这样就可以从位置2（第三个元素）开始重复读取。

继续接着前面重复读取的代码，进行mark( )方法和reset( )方法的示例演示，代码如下：

package com.crazymakercircle.bufferDemo;

…省略import

public class UseBuffer

{

//一个整型的Buffer静态变量

static IntBuffer intBuffer = null;

//…省略了缓冲区的倒带、重复读取等代码，具体查看前面小节的内容和随书源码

//演示前提：

//在前面的reRead()演示方法中，已经通过mark()方法，暂存了position值

public static void afterReset() {

Logger.info("------------after reset------------------");

//把前面保存在mark中的值恢复到position

intBuffer.reset();

//输出缓冲区的属性值

Logger.info(“position=” + intBuffer.position());

Logger.info(“limit=” + intBuffer.limit());

Logger.info(“capacity=” + intBuffer.capacity());

//读取并且输出元素

for (int i =2; i< 5; i++) {

int j = intBuffer.get();

Logger.info("j = " + j);

}

}

//…省略其他代码

}

在上面的代码中，首先调用reset()把mark中的值恢复到position中，因此读取的位置position就是2，表示可以再次开始从第3个元素开始读取数据。上面的程序代码的输出结果是：

afterReset |> ------------after reset------------------

afterReset |> position=2

afterReset |> limit=5

afterReset |> capacity=20

afterReset |> j = 2

afterReset |> j = 3

afterReset |> j = 4

调用reset方法之后，position的值为2，此时去读取缓冲区，输出了后面的三个元素为2、3、4。

clear( )清空缓冲区

在读取模式下，调用clear()方法将缓冲区切换为写入模式。此方法的作用：

（1）会将position清零；

（2）limit设置为capacity最大容量值，可以一直写入，直到缓冲区写满。

接着上面的实例，演示一下clear( )方法的使用，大致的代码如下：

package com.crazymakercircle.bufferDemo;

…省略import

public class UseBuffer

{

//一个整型的Buffer静态变量

static IntBuffer intBuffer = null;

//…省略了缓冲区的创建、写入、读取等代码，具体查看前面小节的内容和随书源码

public static void clearDemo() {

Logger.info("------------after clear------------------");

//清空缓冲区，进入写入模式

intBuffer.clear();

//输出缓冲区的属性值

Logger.info(“position=” + intBuffer.position());

Logger.info(“limit=” + intBuffer.limit());

Logger.info(“capacity=” + intBuffer.capacity());

}

//…省略其他代码

}

这个程序运行之后，结果如下：

main |>清空

clearDemo |> ------------after clear------------------

clearDemo |> position=0

clearDemo |> limit=20

clearDemo |> capacity=20

在缓冲区处于读取模式时，调用clear()，缓冲区会被切换成写入模式。调用clear()之后，我们可以看到清空了position（写入的起始位置）的值，其值被设置为0，并且limit值（写入的上限）为最大容量。

使用Buffer类的基本步骤

总体来说，使用Java NIO Buffer类的基本步骤如下:

（1）使用创建子类实例对象的allocate( )方法，创建一个Buffer类的实例对象。

（2）调用put( )方法，将数据写入到缓冲区中。

（3）写入完成后，在开始读取数据前，调用Buffer.flip(
)方法，将缓冲区转换为读模式。

（4）调用get( )方法，可以从缓冲区中读取数据。

（5）读取完成后，调用Buffer.clear(
)方法或Buffer.compact()方法，将缓冲区转换为写入模式，可以继续写入。

详解NIO Channel（通道）类

前面提到，Java
NIO中，一个socket连接使用一个Channel（通道）来表示。然而，从更广泛的层面来说，一个通道可以表示一个底层的文件描述符，例如硬件设备、文件、网络连接等。然而，远远不止如此，除了可以对应到底层文件描述符。所以，文件描述符相对应，Java
NIO的通道可以更加细化。例如，对应不同的网络传输协议类型，在Java中都有不同的NIO
Channel（通道）实现。

Channel（通道）的主要类型

这里不对Java
NIO全部通道类型进行过多的描述，仅仅聚焦于介绍其中最为重要的四种Channel（通道）实现：FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel。

对于以上四种通道，说明如下：

（1）FileChannel文件通道，用于文件的数据读写；

（2）SocketChannel套接字通道，用于Socket套接字TCP连接的数据读写；

（3）ServerSocketChannel服务器套接字通道（或服务器监听通道），允许我们监听TCP连接请求，为每个监听到的请求，创建一个SocketChannel套接字通道；

（4）DatagramChannel数据报通道，用于UDP协议的数据读写。

这个四种通道，涵盖了文件IO、TCP网络、UDP
IO三类基础IO读写操作。下面从通道的获取、读取、写入、关闭四个重要的操作入手，对四种通道进行简单的介绍。

FileChannel文件通道

FileChannel是专门操作文件的通道。通过FileChannel，既可以从一个文件中读取数据，也可以将数据写入到文件中。特别申明一下，FileChannel为阻塞模式，不能设置为非阻塞模式。

下面分别介绍：FileChannel的获取、读取、写入、关闭四个操作。

  1. 获取FileChannel通道

可以通过文件的输入流、输出流获取FileChannel文件通道，示例如下：

//创建一个文件输入流

FileInputStream fis = new FileInputStream(srcFile);

//获取文件流的通道

FileChannel inChannel = fis.getChannel();

//创建一个文件输出流

FileOutputStream fos = new FileOutputStream(destFile);

//获取文件流的通道

FileChannel outchannel = fos.getChannel();

也可以通过RandomAccessFile文件随机访问类，获取FileChannel文件通道实例，代码如下：

// 创建RandomAccessFile随机访问对象

RandomAccessFile rFile = new RandomAccessFile(“filename.txt”，“rw”);

//获取文件流的通道（可读可写）

FileChannel channel = rFile.getChannel();

  1. 读取FileChannel通道

在大部分应用场景，从通道读取数据都会调用通道的int
read（ByteBufferbuf）方法，它从通道读取到数据写入到ByteBuffer缓冲区，并且返回读取到的数据量。

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile(fileName, “rw”);

//获取通道（可读可写）

FileChannel channel=aFile.getChannel();

//获取一个字节缓冲区

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(CAPACITY);

int length = -1;

//调用通道的read方法，读取数据并买入字节类型的缓冲区

while ((length = channel.read(buf)) != -1) {

//……省略buf中的数据处理

}

说明：以上代码channel.read(buf)虽然是读取通道的数据，对于通道来说是读取模式，但是对于ByteBuffer缓冲区来说则是写入数据，这时，ByteBuffer缓冲区处于写入模式。

说 明

以上代码中channel.read(buf)读取通道的数据时，虽然对于通道来说是读取模式，但是对于ByteBuffer缓冲区来说则是写入数据，这时，ByteBuffer缓冲区处于写入模式。

  1. 写入FileChannel通道

写入数据到通道，在大部分应用场景，都会调用通道的write（ByteBuffer）方法，此方法的参数是一个ByteBuffer缓冲区实例，是待写数据的来源。

write(ByteBuffer)方法的作用，是从ByteBuffer缓冲区中读取数据，然后写入到通道自身，而返回值是写入成功的字节数。

//如果buf处于写入模式（如刚写完数据），需要flip翻转buf，使其变成读取模式

buf.flip();

int outlength = 0;

//调用write方法，将buf的数据写入通道

while ((outlength = outchannel.write(buf)) != 0) {

System.out.println(“写入的字节数：” + outlength);

}

在以上的outchannel.write(buf)调用中，对于入参buf实例来说，需要从其中读取数据写入到outchannel通道中，所以入参buf必须处于读取模式，不能处于写入模式。

4．关闭通道

当通道使用完成后，必须将其关闭。关闭非常简单，调用close( )方法即可。

//关闭通道

channel.close( );

5．强制刷新到磁盘

在将缓冲区写入通道时，出于性能原因，操作系统不可能每次都实时将写入数据落地（或刷新）到磁盘，完成最终的数据保存。

如果在将缓冲数据写入通道时，需要保证数据能落地写入到磁盘，可以在写入后调用一下FileChannel的force()方法。

//强制刷新到磁盘

channel.force(true);

使用FileChannel完成文件复制的实践案例

下面是一个简单的实战案例：使用文件通道复制文件。其具体的功能是：使用FileChannel文件通道，将原文件复制一份，把原文中的数据都复制到目标文件中。完整代码如下：

package com.crazymakercircle.iodemo.fileDemos;

//…省略import的类，具体请参见源代码工程

public class FileNIOCopyDemo {

public static void main(String[] args) {

//演示复制资源文件

nioCopyResouceFile();

}

/**

* 复制两个资源目录下的文件

*/

public static void nioCopyResouceFile() {

//源

String sourcePath = NioDemoConfig.FILE_RESOURCE_SRC_PATH;

String srcPath = IOUtil.getResourcePath(sourcePath);

Logger.info(“srcPath=” + srcPath);

//目标

String destPath = NioDemoConfig.FILE_RESOURCE_DEST_PATH;

String destDecodePath = IOUtil.builderResourcePath(destPath);

Logger.info(“destDecodePath=” + destDecodePath);

//复制文件

nioCopyFile(srcDecodePath, destDecodePath);

}

/**

* nio方式复制文件

* @param srcPath 源路径

* @param destPath 目标路径

*/

public static void nioCopyFile(String srcPath, String destPath){

File srcFile = new File(srcPath);

File destFile = new File(destPath);

try {

//如果目标文件不存在，则新建

if (!destFile.exists()) {

destFile.createNewFile();

}

long startTime = System.currentTimeMillis();

FileInputStream fis = null;

FileOutputStream fos = null;

FileChannel inChannel = null; //输入通道

FileChannel outchannel = null; //输出通道

try {

fis = new FileInputStream(srcFile);

fos = new FileOutputStream(destFile);

inChannel = fis.getChannel();

outchannel = fos.getChannel();

int length = -1;

//新建buf，处于写入模式

ByteBufferbuf = ByteBuffer.allocate(1024);

//从输入通道读取到buf

while ((length = inChannel.read(buf)) != -1) {

//buf第一次模式切换：翻转buf，从写入模式变成读取模式

buf.flip();

int outlength = 0;

//将buf写入到输出的通道

while ((outlength = outchannel.write(buf)) != 0) {

System.out.println(“写入的字节数：” + outlength);

}

//buf第二次模式切换：清除buf，变成写入模式

buf

以上是关于Java NIO （图解+秒懂+史上最全）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

MappedByteBuffer 详解（图解+秒懂+史上最全）

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