NIO的Buffer&Channel&Selector

Posted 2020-10-24 wade&luffy

java的NIO和AIO

Buffer

• position、limit、capacity
• 初始化 Buffer
• 填充 Buffer
• 提取 Buffer 中的值
• mark() & reset()
• rewind() & clear() & compact()

Channel

• FileChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel
• DatagramChannel

Selector

Buffer

一个 Buffer 本质上是内存中的一块，我们可以将数据写入这块内存，之后从这块内存获取数据。

java.nio 定义了以下几个 Buffer 的实现，其实核心是最后的 ByteBuffer，其他实现类只是包装了一下它而已，我们使用最多的通常也是 ByteBuffer。

可以将 Buffer 理解为一个数组，IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分别对应 int[]、char[]、double[] 等。

position、limit、capacity

Buffer 中也有几个重要属性：position、limit、capacity。

capacity，它代表这个缓冲区的容量，一旦设定就不可以更改。比如 capacity 为 1024 的 IntBuffer，代表其一次可以存放 1024 个 int 类型的值。一旦 Buffer 的容量达到 capacity，需要清空 Buffer，才能重新写入值。

position 和 limit 是变化的，我们分别看下读和写操作下，它们是如何变化的。

position 的初始值是 0，每往 Buffer 中写入一个值，position 就自动加 1，代表下一次的写入位置。读操作的时候也是类似的，每读一个值，position 就自动加 1。

从写操作模式到读操作模式切换的时候（flip），position 都会归零，这样就可以从头开始读写了。

limit：写操作模式下，limit 代表的是最大能写入的数据，这个时候 limit 等于 capacity。写结束后，切换到读模式，此时的 limit 等于 Buffer 中实际的数据大小，因为 Buffer 不一定被写满了。

切换模式

调用 Buffer 的 flip() 方法，可以进行模式切换。其实这个方法也就是设置了一下 position 和 limit 值。

public final Buffer flip() {
    limit = position; // 将 limit 设置为实际写入的数据数量
    position = 0; // 重置 position 为 0
    mark = -1; // mark 之后再说
    return this;
}

初始化 Buffer

每个 Buffer 实现类都提供了一个静态方法 allocate(int capacity) 帮助我们快速实例化一个 Buffer。另外经常使用 wrap 方法来初始化一个 Buffer。

ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
IntBuffer intBuf = IntBuffer.allocate(1024);
LongBuffer longBuf = LongBuffer.allocate(1024);
public static ByteBuffer wrap(byte[] array) {
    ...
}

填充 Buffer

put 方法：各个 Buffer 类都提供了一些 put 方法用于将数据填充到 Buffer 中，这些方法需要自己控制 Buffer 大小，不能超过 capacity，超过会抛 java.nio.BufferOverflowException 异常。

通过Channel填充：int num = channel.read(buf);将 Channel 的数据填充到 Buffer 中。在系统层面上，这个操作我们称为读操作，因为数据是从外部（文件或网络等）读到内存中。

提取 Buffer 中的值

get 方法：读操作提供了一系列的 get 方法。

通过Channel读取：int num = channel.write(buf);将buf的内容写入channel。

mark() & reset()

mark 用于临时保存 position 的值，每次调用 mark() 方法都会将 mark 设值为当前的 position，便于后续需要的时候使用。

考虑以下场景，我们在 position 为 5 的时候，先 mark() 一下，然后继续往下读，读到第 10 的时候，我想重新回到 position 为 5 的地方重新来一遍，那只要调一下 reset() 方法，position 就回到 5 了。

rewind() & clear() & compact()

rewind()：会重置 position 为 0，通常用于重新从头读写 Buffer。

clear()：有点重置 Buffer 的意思，相当于重新实例化了一样。不会将 Buffer 中的数据清空，只不过后续的写入会覆盖掉原来的数据，也就相当于清空了数据了。

compact()：和 clear() 一样的是，它们都是在准备往 Buffer 填充新的数据之前调用。先处理还没有读取的数据，也就是 position 到 limit 之间的数据（还没有读过的数据），先将这些数据移到左边，然后在这个基础上再开始写入。很明显写入模式下，此时 limit 还是等于 capacity，position 指向原来数据的右边。

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

    public ByteBuffer compact() {

        int pos = position();
        int lim = limit();
        assert (pos <= lim);
        int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);  //position 到 limit 之间的数据

        unsafe.copyMemory(ix(pos), ix(0), (long)rem << 0); //移到左边
        position(rem);
        limit(capacity());
        discardMark();
        return this;

    }

Channel

所有的 NIO 操作始于通道，通道是数据来源或数据写入的目的地。

• FileChannel：文件通道，用于文件的读和写
• DatagramChannel：用于 UDP 连接的接收和发送
• SocketChannel：把它理解为 TCP 连接通道，简单理解就是 TCP 客户端
• ServerSocketChannel：TCP 对应的服务端，用于监听某个端口进来的请求

Channel 经常翻译为通道，类似 IO 中的流，用于读取和写入。它与前面介绍的 Buffer 打交道。

读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。

FileChannel

FileChannel 是不支持非阻塞的。

// 读取
FileInputStream inputStream = new FileInputStream(new File("/data.txt"));
FileChannel fileChannel = inputStream.getChannel();

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int num = fileChannel.read(buffer);

// 写入
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("随机写入一些内容到 Buffer 中".getBytes());
// Buffer 切换为读模式
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()) {
    // 将 Buffer 中的内容写入文件
    fileChannel.write(buffer);
}

SocketChannel

SocketChannel 是 TCP 客户端，它代表的是一个网络通道，可读可写。

//打开一个 TCP 连接：
// 打开一个通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 发起连接
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("https://www.baidu.com", 80));

// 读取数据
socketChannel.read(buffer);

// 写入数据到网络连接中
while(buffer.hasRemaining()) {
    socketChannel.write(buffer);   
}

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 就是对应的服务端。ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了，因为它并不实际处理数据，它一旦接收到请求后，实例化 SocketChannel，之后在这个连接通道上的数据传递它就不管了，因为它需要继续监听端口，等待下一个连接。

ServerSocketChannel 用于监听机器端口，管理从这个端口进来的 TCP 连接。

// 实例化
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 监听 8080 端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));

while (true) {
    // 一旦有一个 TCP 连接进来，就对应创建一个 SocketChannel 进行处理
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}

DatagramChannel

UDP 和 TCP 不一样，DatagramChannel 一个类处理了服务端和客户端。

UDP 是面向无连接的，不需要和对方握手，不需要通知对方，就可以直接将数据包投出去，至于能不能送达，它是不知道的。

//监听端口
DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();

channel.receive(buf);

//发送数据
String newData = "New String to write to file..."
                    + System.currentTimeMillis();

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

int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("localhost.com", 80));

Selector

Selector 建立在非阻塞的基础之上，多路复用指的就是它，用于实现一个线程管理多个 Channel。

//开启一个 Selector  多路复用器
Selector selector = Selector.open();

//将 Channel 注册到 Selector 上, 注册到 Selector 的 Channel 必须要支持非阻塞模式.FileChannel 不支持非阻塞，最常见的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。
// 将通道设置为非阻塞模式，因为默认都是阻塞模式的
channel.configureBlocking(false);
// 注册
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
//注册方法返回值是 SelectionKey 实例，它包含了 Channel 和 Selector 信息，也包括了一个叫做 Interest Set 的信息，即我们设置的我们感兴趣的正在监听的事件集合。
//监听感兴趣的事件,可以同时监听一个 Channel 中的发生的多个事件,共以下四种事件：
//        SelectionKey.OP_READ
//        SelectionKey.OP_WRITE
//        SelectionKey.OP_CONNECT
//        SelectionKey.OP_ACCEPT

//调用 select() 方法获取通道信息。用于判断是否有我们感兴趣的事件已经发生了。
while(true) {
  // 判断是否有事件准备好
  int readyChannels = selector.select();
  if(readyChannels == 0) continue;

  // 遍历
  Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
  Iterator<SelectionKey> 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();
  }
}