Java NIO 01 - 常识篇

         今天发表一篇一年前已经总结好的关于NIO的知识点，希望对新学的朋友有帮助，当时是写在Doc文档上面，最近有写博文的时间和心情，所以发表出来。由于在DOC copy出来，所以格式有点乱，希望大家见谅。如果写得不好，请大家给点建议。今天这篇是常识篇01，接下来还会有02。

（一）、为什么要使用java nio而不是流I/O呢？

     使用某样技术前，先要对比一下，它的优点和缺点。在JDK1.4之前，我们通过流I/O的方式来进行输入输出操作。而在程序中，I/O操作是最耗时的。Java NIO与流I/O的作用是一样的，但是他们的使用方式和运行的效率不同。Java NIO的效率更快，主要是java nio是通过管道和缓冲区来完成的。下图对比一下流IO和NIO读取数据的方式。

 

（二）、何为缓冲区（Buffer）？

 

     在上面已经提到了两个概念：管道和缓冲区，那何为缓冲区?缓冲区是一块内存块，其实就是一个数组。NIO中，读取数据时，直接读到缓冲区，写数据时，直接写到缓冲区，也就是说访问所有的数据都是通过缓冲区来进行的。操作缓冲区主要是通过Buffer类下的子类来进行。在JDK文档中可以看到Buffer类是抽象的，它的子类有：ByteBuffer、MappedByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。而ByteBuffer是经常用到的。下面以图片的方式来对ByteBuffer的属性方法进行讲解。

• ByteBuffer的几个属性：
• capacity：缓冲区能够容纳的数据元素的最大数量。比如说：ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(12); 那么capacity就等于12.
• Limit：下一个要被写或读的元素。从字面上理解为允许，当写入数据时，limit通常和capacity相等，当读数据时，limit代表buffer中的有效数据的长度（下面有图）
• Position：缓冲区的读写当前的下标。
• Mark：临时存放的位置下标。调用reset()前，要确保已经调用过mark（），因为调用reset（）相当于position=mark。
• 例子：仔细观察position、limit、capacity、remaining的变化（在此之前要从http://www.javanio.org/上下载了一个基于图形界面的buffer模拟器），不过为了方便大家已经上传到了附件中
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•       通过以上5步我们可以总结出，如果我们要读出缓冲区的数据时，先要调用flip（）[其实调用flip（）后相当于limit=position，position=0]；如果我们要写数据到缓冲区时，先要clear()[其实调用clear（），相当于position=0，limit=capacity=12]。

• 掌握上面的几个方法对读写操作基本是没什么问题了。但是仅仅是对读写操作掌握了是不够的。下面来了解一下其他的方法：

  （1）slice（）
  
  
   
        从上面的两个图中可以看出，调用了slice（）相当于新建一个缓冲区，而且这个缓冲区的Capacity = limit-position；position=0；
• （2）compact（）：position = capacity-position ；limit=capacity
• （3）duplicate（）：新建一个与之相同的缓冲区
• （4）rewind（）：position=0

在这里我想缓冲区的概念应该了解得差不多了。

（三）、何为通道（Channel）？

•     从字面上可以理解为传输数据的通道。其实通道就是一种途径，连接到外设或者文件等等的一种途径。通道和流的几个不同点：1、通道可以同时读写而流要不就是读要不就是写 ；2、通道可以进行异步读写；3、通道总是通过缓冲区来进行读写；通道与流最大的区别在于，通道可以是双向的，而流只能是单向。Channel是一个接口，从JDK文档中可以看出，它只有两个方法：isOpen（）、close（）。读写是输入输出中最基本的过程，从一个通道中读取数据只能通过缓冲区，写数据进通道也只能通过缓冲区，所以在nio中，通道和缓冲区是人和自己影子的关系，永不分离。Channel的几个常用的比较重要的实现类有：

  FileChannel：主要是应用于文件的读写

  SocketChannel：主要对基于TCP协议的网络数据的读写

  ServerSocketChannel：主要是监听到新的连接创建一个SocketChannel

  DatagramChannel：主要对基于UDP协议的网络数据的读写

（1）、NIO对文件的操作：文件通道（FileChannel）

• 读取三步走：
• ①、从FileInputStream获取Channel
• ②、创建Buffer
• ③将数据读取到buffer中 写入三步走和读取三步走差不多。
•  先看一个例子吧：（这个例子很简单，主要是加深了解上面的ByteBuffer和Channel）

public class NIOFileOperate {
	   public static void main(String[] args) {
			try {
			FileInputStream input = new FileInputStream(new File(
					"D:\\soft\\java\\netbeans-6.9-ml-windows.exe"));
			//得到channel
			FileChannel fc1 = input.getChannel();
			FileOutputStream out = new FileOutputStream(new File(
					"e://netbeans-6.9-ml-windows.exe"));
			FileChannel fc2 = out.getChannel();
			//直接创建缓冲区
			ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024 * 100);
			while (fc1.read(buffer) != -1) {
//翻转缓冲区
				buffer.flip();
//position与capacity之间是否有元素，有则代表有数据可读
				if (buffer.hasRemaining()) {
					fc2.write(buffer);
				}
				//重设缓冲区
				buffer.clear();
			}
			fc1.close();
			fc2.close();
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}			
}
}

   （2）、NIO对网络套接字的操作：   

   socket通道（SocketChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel）DatagramChannel和SocketChannel都实现了读和写的功能，而ServerSocketChannel只是负责监听网络中传入的连接和创建新的SocketChannel对象，它是不负责传送数据的。

①、 ServerSocketChannel：它只是一个基于通道的socket监听器，它和ServerSocket的作用差不多，只是它多了一个channel，很明显它增加了通道的功能。在JDK文档中我们可以看到它是抽象的，那么怎么创建他的一个对象呢，它有一个open（）方法。我们在服务器端常用到下面的一段代码：
//创建一个未绑定的与ServerSocket有关联的服务器通道
ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
ServerSocket serverSocket = ssChannel.socket();
//绑定IP地址和端口
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8080)); );//设置非阻塞通道，默认为阻塞通道
ssChannel.configureBlocking(false)

②、 SocketChannel：经常用到。在JDK文档中我们可以看到创建SocketChannel的对象的方法有两个：open（）、open（InetSocketAddress）。调用finishConnect()方法来完成连接过程。创建一个非阻塞的SocketChannel
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(new InetSocketAddress(“localhost”,8080));
while(!socketChannel.finishConnect()){
  //一直等，直到连接成功
}

（四）、选择器（selector）？

     选择器是一个可以检查一个或多个通道，并确定那些通道是准备好的（读或写）的NIO组件。正因为选择器的存在，才使得一个线程可以管理多个通道。下面用图的方式来说明一下selector的作用：

 

（1）、创建一个Selector

Selector selector = Selector.open();

 

（2）、把通道注册到选择器

channel.configureBlocking(false);

SelectorKey key = channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ)

上面的SelectionKey.OP_READ ，是一个“兴趣集”，其实就是一个事件集。他把你感兴趣的事件注册到选择器。当你感兴趣的事件发生在通道中，Selector会捕获到。SelectKey的四个主要的常量：

1.       SelectionKey.OP_CONNECT

2.       SelectionKey.OP_ACCEPT

3.       SelectionKey.OP_READ

4.       SelectionKey.OP_WRITE

如果多于一个事件要被注册呢，那就用‘|’号把两个事件连在一起。

如：  SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE

下面是常用到的代码段：

Set<SelectionKey> selectedkeys = selector.selectorKeys();
Iterator<SelectorKey> it = selectedKeys.iterator();
While(it.hasNext()){
	SelectionKey key = it.next();
if(key.isAcceptable()){
	//代表是一个新连接
}else if(key.isReadable()){
	//通道的读事件
}else if(key.isWritable()){
	//通道的写事件
}
it.remove();//删除处理过的事件
}

下面以一个完整的例子来总结上面的缓冲区+通道+选择器：

Selector管理多管道 (当客户端发来数据时，服务器端把收到的数据发回客户端)

public class ServerTest {
	private final static int PORT = 1111;
	private ServerSocketChannel serverChannel;
	private ServerSocket socket;
	private Selector selector;
	private InetSocketAddress socketAddr;
	private ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
	public ServerTest() {
		try {
			//创建一个新的选择器
			selector = Selector.open();
			//分配一个未绑定的服务器套接字通道
			serverChannel = ServerSocketChannel.open();
			//得到与通道相关的socket对象
			socket = serverChannel.socket();
			socketAddr = new InetSocketAddress(PORT);
			//将scoket绑定到特定的端口上
			socket.bind(socketAddr);
			//配置通道使用非阻塞模式，在非阻塞模式下，可以编写多道程序同时避免使用复杂的多线程
			serverChannel.configureBlocking(false);
			//把serversocket注册到selector
			serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
			System.out.println("服务器已经启动!");
			while (true) {
				int num = -1;
				try {
					//监控注册在selector上的SelectableChannel
					num = selector.select();
				} catch (IOException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				if (num == 0) {
					continue;
				}
				//selectedKey返回一个SelectionKey的集合，其中每一个SelectionKey代表一个进行IO的channel
				Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();

				while (it.hasNext()) {
					SelectionKey key = it.next();
					//是否是一个新的连接
					if (key.isAcceptable()) {
						ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key
								.channel();
						SocketChannel socketChannel = null;
						try {
							socketChannel = channel.accept();
						} catch (IOException e) {
							e.printStackTrace();
						}
						registerChannel(selector, socketChannel,
								SelectionKey.OP_READ);
					}
					//通道是否有数据要读
					if (key.isReadable()) {
						try {
							readDataFromSocket(key);
						} catch (Exception e) {
							e.printStackTrace();
						}
					}
				}
				it.remove();
			}
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
	public static void main(String[] args) {
		new ServerTest();
	}
	protected void readDataFromSocket(SelectionKey key) throws Exception {
		SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
		int count;
		buffer.clear();
		while ((count = socketChannel.read(buffer)) > 0) {
			buffer.flip();
			//判断是否有新的数据，有数据就把它写回通道中
			while (buffer.hasRemaining()) {
				socketChannel.write(buffer);
			}
			buffer.clear();
		}
		if (count < 0) {
			System.out.println("Close!");
			socketChannel.close();
		}
		System.out.println("read end");
	}
	protected void registerChannel(Selector selector,
			SelectableChannel channel, int ops) {
		if (channel == null) {
			return;
		}
		try {
			channel.configureBlocking(false);
			channel.register(selector, ops);
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}