前言

用戶程序進行IO的讀寫，依賴于底層的IO讀寫，基本上會用到底層的read&write兩大系統(tǒng)調(diào)用。在不同的操作系統(tǒng)中，IO讀寫的系統(tǒng)調(diào)用的名稱可能完全不一樣，但是基本功能是一樣的。

read系統(tǒng)調(diào)用并不是直接從物理設(shè)備把數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中，write系統(tǒng)調(diào)用也不是直接把數(shù)據(jù)寫入到物理設(shè)備。上層應(yīng)用無論是調(diào)用操作系統(tǒng)的read還是write，都會涉及緩沖區(qū)。**具體來說，調(diào)用操作系統(tǒng)的read，是把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到進程緩沖區(qū)；而調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用的write，是把數(shù)據(jù)從進程緩沖區(qū)復(fù)制到內(nèi)核緩沖區(qū)。**因為外部設(shè)備的讀寫設(shè)計到操作系統(tǒng)的中斷，引入緩沖區(qū)可以減少頻繁地與設(shè)備之間的物理交換，操作系統(tǒng)會對內(nèi)核緩沖區(qū)進行監(jiān)控，等待緩沖區(qū)達到一定的數(shù)量的時候（由內(nèi)核決定，用戶程序無需關(guān)心），再進行IO設(shè)備的中斷處理，集中執(zhí)行物理設(shè)備的實際IO操作。

也就是說上層程序的IO操作，實際上不是物理設(shè)備級別的讀寫，而是緩存的復(fù)制。read&write兩大系統(tǒng)調(diào)用，都不負責(zé)數(shù)據(jù)在內(nèi)核緩沖區(qū)和物理設(shè)備（如磁盤）之間的交換。這項底層的讀寫交換，是由操作系統(tǒng)內(nèi)核來完成的，即使不調(diào)用read&write，當有數(shù)據(jù)到達網(wǎng)卡時軟中斷也會將其拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)。

在1.4版本之前，Java IO類庫是阻塞IO，從1.4版本開始引進了新的IO庫，稱為Java New IO類庫，簡稱為Java NIO。New IO類庫的目標就是讓Java支持非阻塞IO，彌補了原本面向流的OIO（Old IO）同步阻塞的不足，它為標準Java代碼提供了高速的、面向緩沖區(qū)的IO。

Java NIO由以下三個核心組件組成：

Channel（通道）

在OIO中，同一個網(wǎng)絡(luò)連接會關(guān)聯(lián)到兩個流，一個輸入流，一個輸出流，通過這兩個流不斷的進行輸入和輸出的操作在NIO中，同一個網(wǎng)絡(luò)連接使用一個通道表示，所有NIO的IO操作都是從通道開始的，一個通道類似于OIO中的兩個流的接合體，既可以從通道讀取，也可以向通道寫入

Buffer（緩沖區(qū)）

通道的讀取就是將數(shù)據(jù)從通道讀取到緩沖區(qū)中；通道的寫入就是將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中寫入到通道中。

Selector（選擇器）

用于實現(xiàn)對多個文件描述符的監(jiān)視，通過選擇器，一個線程可以查詢多個通道的IO事件的就緒狀態(tài)。與OIO相比，使用選擇器的最大優(yōu)勢就是系統(tǒng)開銷小，不需要為每個網(wǎng)絡(luò)連接（文件描述符）創(chuàng)建進程/線程，使用一個線程就可以管理多個通道。

在Java中，NIO和OIO的區(qū)別主要體現(xiàn)在三個方面：

1. OIO是面向流的，NIO是面向緩沖區(qū)的
   • OIO是面向字節(jié)流或字符流的，在一般的OIO操作中，我們以流式的方式順序地從一個流中讀取一個或多個字節(jié)，因此我們不能隨意地改變讀取指針的位置。
   • NIO中引入了Channel和Buffer的概念，讀取和寫入只需要從通道中讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，或?qū)?shù)據(jù)從緩沖區(qū)中寫入到通道中，可以隨意地讀取Buffer中任意位置的數(shù)據(jù)。
2. OIO的操作是阻塞的，而NIO的操作是非阻塞的
3. OIO沒有選擇器概念，而NIO有選擇器的概念（IO多路復(fù)用）

一、Buffer

NIO的Buffer類是一個抽象類，位于java.nio包中，提供了一組更加有效的方法，用來進行寫入和讀取的交替訪問，本質(zhì)上是一個內(nèi)存塊（數(shù)組），既可以寫入數(shù)據(jù)，也可以從中讀取數(shù)據(jù)。

需要強調(diào)的是Buffer類是一個非線程安全類。

在NIO這種有8種緩沖區(qū)類，分別為ByteBuffer、CharBuffer、ShortBufffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer、MappedByteBuffer。前7種Buffer類型覆蓋了能在IO中傳輸?shù)乃蠮ava基本數(shù)據(jù)類型，第8種數(shù)據(jù)類型MappedByteBuffer是專門用于內(nèi)存映射的一種ByteBuffer類型。實際上使用最多的還是ByteBuffer二進制字節(jié)緩沖區(qū)類型。

1、重要屬性

Buffer類在其內(nèi)部有一個對應(yīng)類型的數(shù)組（如ByteBuffer的byte[]數(shù)組）作為內(nèi)存緩沖區(qū)，為了記錄讀寫的狀態(tài)和位置，Buffer類提供了一些重要的屬性，其中有三個重要的成員屬性：

capacity：容量（一旦初始化就不能再改變）

表示內(nèi)部容量的大小，一旦寫入的對象數(shù)量超過了capacity容量，緩沖區(qū)就滿了，不能再寫入了。

position：讀寫位置

• 表示當前的位置。position屬性與緩沖區(qū)的讀寫模式有關(guān)，在不同的模式下position屬性的值是不同的，當緩沖區(qū)進行讀寫的模式改變時，position會進行調(diào)整。
• 寫入模式：剛進入寫模式時，position值為0，表示當前寫入的位置從頭開始。每當一個數(shù)據(jù)寫到緩沖區(qū)之后，position會向后移動到下一個可寫的位置。最大可寫值position為limit-1，當position值達到limit時，緩沖區(qū)就已經(jīng)無空間可寫了。
• 讀取模式：剛進入讀模式時，position值被重置為0，表示當前讀取的位置從頭開始。當從緩沖區(qū)讀取時，也是從position位置開始讀，讀取之后position向后移動到下一個可讀的位置。position最大的值為最大刻度上限limit，當position達到limit時表示緩沖區(qū)已經(jīng)無數(shù)據(jù)可讀。
• 當新建一個緩沖區(qū)時，緩沖區(qū)處于寫入模式，這時是可以寫數(shù)據(jù)的。數(shù)據(jù)寫入后，如果要從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，這就要進行模式的切換，可以使用flip翻轉(zhuǎn)方法，將緩沖區(qū)變?yōu)樽x取模式。在flip翻轉(zhuǎn)過程中會將position由原來的寫入位置，變?yōu)樾碌目勺x位置，也就是0，表示可以從頭開始讀。此外flip還會調(diào)整limit屬性的值。

limit：讀寫的限制

• 表示讀寫的最大上線，和緩沖區(qū)的讀寫模式有關(guān)。
• 寫入模式：在寫模式下limit屬性值的含義為可以寫入的數(shù)據(jù)最大上限，在剛進入到寫模式時，limit的值會被設(shè)置成緩沖區(qū)的capacity容量值，表示可以將緩沖區(qū)的容量寫滿。
• 讀取模式：在讀模式下limit屬性值的含義為最多能從緩沖區(qū)中讀取到多少數(shù)據(jù)。
• 一般來說是先寫入再讀取，當緩沖區(qū)寫入完成后，就可以開始從Buffer讀取數(shù)據(jù)，可以使用flip翻轉(zhuǎn)方法，這時會將寫模式下的position值設(shè)置為讀模式下的limit值。

2、重要方法

1）allocate()創(chuàng)建緩沖區(qū)

在使用Buffer之前，我們首先需要獲取Buffer子類的實例對象，并且分配內(nèi)存空間。獲取一個Buffer實例對象并不是使用子類的構(gòu)造器new來創(chuàng)建一個實例對象，而是調(diào)用子類的allocate()方法，該方法需要傳入一個int類型的參數(shù)，表示緩沖區(qū)的容量。

public static void main(String[] args) throws IOException {
        CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(20);
        System.out.println("緩沖區(qū)的capacity:" + buffer.capacity());
        System.out.println("緩沖區(qū)的position:" + buffer.position());
        System.out.println("緩沖區(qū)的limit:" + buffer.limit());
}
緩沖區(qū)的capacity:20
緩沖區(qū)的position:0
緩沖區(qū)的limit:20

2）put()寫入到緩沖區(qū)

在調(diào)用allocate方法分配內(nèi)存、返回了實例對象后，緩沖區(qū)實例對象處于寫模式，可以寫入對象。要寫入緩沖區(qū)，需要調(diào)用put方法。

put方法只有一個參數(shù)，即為所需要寫入的對象，數(shù)據(jù)類型要求與緩沖區(qū)的類型保持一致。

3）flip()翻轉(zhuǎn)

向緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)之后是不可以直接從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)的，因為此時緩沖區(qū)還處于寫模式，如果需要讀取數(shù)據(jù)，還需要將緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換成讀模式。那么此時就需要使用flip()方法進行翻轉(zhuǎn)。flip()方法的作用就是將寫入模式翻轉(zhuǎn)成讀取模式。

對于flip()方法的從寫入到讀取轉(zhuǎn)換的規(guī)則：

• 首先設(shè)置可讀的長度上限limit，將寫模式下緩沖區(qū)中內(nèi)容的最后寫入位置position值作為讀模式下的limit上限值
• 其次把讀的起始位置position的值設(shè)為0，表示從頭開始讀
• 最后清除之前的mark標記（mark保存的是一個臨時位置）

flip()的作用是將寫入模式轉(zhuǎn)換為讀取模式，那么如何將緩沖區(qū)切換成讀取模式呢？

一般來說可以通過調(diào)用clear()清空或者compact()壓縮方法，它們可以將緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換為寫模式。

4）get()從緩沖區(qū)讀取

調(diào)用flip方法將緩沖區(qū)切換成讀取模式之后就可以開始從緩沖區(qū)中進行數(shù)據(jù)讀取了。

get方法每次從position的位置讀取一個數(shù)據(jù)，并且進行相應(yīng)的緩沖區(qū)屬性的調(diào)整。

讀取操作會改變刻度位置position的值，而limit值不會改變，如果position值和limit的值相等，表示所有數(shù)據(jù)讀取完成，position只想了一個沒有數(shù)據(jù)的元素位置，已經(jīng)不能再讀了，此時再讀會拋出BufferUnderflowException異常。

在讀完之后不可以立即進行寫入操作，必須調(diào)用clear或compact方法清空或者壓縮緩沖區(qū)才能編程寫入模式，讓其重新可寫。

5）rewind()倒帶

已經(jīng)讀完的數(shù)據(jù)如果需要再讀一遍，可以調(diào)用rewin()方法，rewind()也叫倒帶，就像播放磁帶一樣倒回去，再重新播放。

rewind()方法主要是調(diào)整了緩沖區(qū)的position屬性，具體的調(diào)整規(guī)則如下：

• position重置為0，所以可以重讀緩沖區(qū)的所有數(shù)據(jù)
• limit保持不變
• mark標記被清理，之前的臨時位置不能再用了

rewind()方法與flip很像是，區(qū)別在于rewind不會影響limit屬性值，而flip會重設(shè)limit屬性值。

6）mark()和reset()

mark方法的作用是將當前的position的值保存起來，放在mark屬性中，讓mark屬性記住這個臨時位置，之后可以調(diào)用reset方法將mark的值恢復(fù)到position中。

7）clear()清空緩沖區(qū)

在讀取模式下調(diào)用clear方法將緩沖區(qū)切換為寫入模式，此方法會將position清零，limit設(shè)置為capacity最大容量值。

8）使用Buffer類的基本步驟

• 使用創(chuàng)建子類實例對象的allocate()方法創(chuàng)建一個Buffer類的實例對象
• 調(diào)用put方法將數(shù)據(jù)寫入到緩沖區(qū)中
• 寫入完成后在開始讀取數(shù)據(jù)前調(diào)用flip()方法將緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換為讀模式
• 調(diào)用get方法從緩沖區(qū)中讀取出數(shù)據(jù)
• 讀取完成后調(diào)用clear()或compact()方法將緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換為寫入模式

二、Channel

NIO中一個連接就是用一個Channel（通道）來表示，一個通道可以表示一個底層的文件描述符，例如硬件設(shè)備、文件、網(wǎng)絡(luò)連接等，除此之外Java NIO的通道還可以更加細化，例如對應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議類型，在Java中都有不同的NIO Channel實現(xiàn)。

Channel主要有四種重要的類型：

• FileChannel：文件通道，用于文件的數(shù)據(jù)讀寫
• SocketChannel：套接字通道，用于Socket套接字TCP連接的數(shù)據(jù)讀寫
• ServerSocketChannel：服務(wù)器嵌套字通道（或服務(wù)器監(jiān)聽通道），允許我們監(jiān)聽TCP連接請求，為每個監(jiān)聽到的請求創(chuàng)建一個SocketChannel套接字通道
• DatagramChannel：數(shù)據(jù)報通道，用于UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)讀寫

1、FileChannel文件通道

FileChannel是專門操作文件的通道，它是阻塞模式的，不能設(shè)置為非阻塞模式。具體的操作如下：

獲取通道

• 通過文件的輸入流、輸出流獲?。簄ew FileInputStream(srcFile).getChannel() / new FileOutputStream(destFile).getChannel()
• 通過RandomAccessFile文件隨機訪問類獲?。簄ew RandomAccessFile(“filename.txt”, “rw”).getChannel()

讀取通道

• 通過調(diào)用通道的int read(ByteBuffer buf)將通道的數(shù)據(jù)讀取到ByteBuffer緩沖區(qū)中，并返回讀取到的數(shù)據(jù)量
• 對于通道來說是讀取數(shù)據(jù)，對于ByteBuffer緩沖區(qū)來說是寫入數(shù)據(jù)，所以此時ByteBuffer緩沖區(qū)需要處于寫入模式

寫入通道

• 通過調(diào)用通道的int write(ByteBuffer buf)方法將ByteBuffer緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入到通道中，并返回寫入成功的字節(jié)數(shù)
• 此時的ByteBuffer緩沖區(qū)要求是可讀的，處于讀模式下

關(guān)閉通道：channel.close()

強制刷新到磁盤

• 在將緩沖區(qū)寫入通道時，由于性能原因，操作系統(tǒng)不可能每次都實時將數(shù)據(jù)寫入磁盤，如果需要保證數(shù)據(jù)真正落盤需要調(diào)用force()方法
• force方法接受一個布爾參數(shù)，如果為true，則該方法需要強制更改文件的內(nèi)容和將元數(shù)據(jù)寫入存儲;否則，它只需要強制寫入內(nèi)容更改

2、SocketChannel套接字通道

在NIO中設(shè)計網(wǎng)絡(luò)連接的通道有兩個，一個是SocketChannel負責(zé)連接傳輸，一個是ServerSocketChannel負責(zé)連接的監(jiān)聽。

NIO中SocketChannel傳輸通道與OIO中的Socket類對應(yīng)，NIO中的ServerSocketChannel監(jiān)聽通道與OIO中的ServerSocket對應(yīng)。

ServerSocketChannel應(yīng)用于服務(wù)器端，而SocketChannel同時處于服務(wù)器端和客戶端。換句話說，對于一個連接，兩端都有一個負責(zé)傳輸?shù)腟ocketChannel傳輸通道。

這兩種Channel都可以通過configureBlocking()方法設(shè)置是否為阻塞模式。在阻塞模式下，connect連接、read、write操作都是同步阻塞的，效率上和Java舊的OIO的面向流的阻塞式讀寫操作相同。

獲取通道

• 服務(wù)端：ServerSocketChannel.open() / server.accept()
• 客戶端：SocketChannel.open()

讀取通道和寫入通道同樣為read和write

關(guān)閉通道：

在關(guān)閉SocketChannel傳輸通道前，如果傳輸通道用來寫入數(shù)據(jù)，則建議調(diào)用shutdownOutput()終止輸出方法，向?qū)Ψ桨l(fā)送一個輸出的結(jié)束標志(-1)，然后再調(diào)用close方法關(guān)閉套接字

3、DatagramChannel數(shù)據(jù)報通道

和Socket套接字的TCP傳輸協(xié)議不同，UDP協(xié)議不是面向連接的協(xié)議。

使用UDP協(xié)議時只要知道服務(wù)器的IP和端口就可以直接向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)。

• 獲取通道：Datagram.open()
• 讀取通道：channel.receive(buf)，返回值為SocketAddress類型，表示返回發(fā)送端的連接地址
• 寫入通道：channel.send(buffer, new InetSocketAddress(ip, port))
• 關(guān)閉：直接調(diào)用close()即可

三、Selector

Selector選擇器的使命是完成IO的多路復(fù)用。一個通道代表一條連接通路，通過選擇器可以同時監(jiān)控多個通道的IO狀況。選擇器和通道的關(guān)系，是監(jiān)控和被監(jiān)控的關(guān)系。

選擇器提供了獨特的API，能夠選出（select）所監(jiān)控的通道擁有哪些已經(jīng)準備好的、就緒的IO操作事件。

通道和選擇器之間的關(guān)系，通過register（注冊）的方式完成，調(diào)用通道的register(Selector sel, int ops)方法，可以將通道實例注冊到一個選擇器中。register方法有兩個參數(shù)：第一個指定通道注冊到的選擇器實例，第二個指定選擇器要監(jiān)控的IO事件類型?？晒┻x擇器監(jiān)控的通道IO事件類型包括以下四種：

1. 可讀：SelectionKey.OP_READ
2. 可寫：SelectionKey.OP_WRITE
3. 連接：SelectionKey.OP_CONNECT
4. 接收：SelectionKey.OP_ACCEPT

如果選擇器要監(jiān)控通道的多種事件，可以用“按位或”運算符來實現(xiàn)。

并不是所有的通道都是可以被選擇器監(jiān)控或選擇的。比方說FileChannel文件通道選擇器就不能被選擇器復(fù)用。

判斷一個通道能否被選擇器監(jiān)控或選擇有一個前提：判斷它是否繼承了抽象類SelectableChannel（可選擇通道），如果繼承了則可以被選擇，否則不能被選擇。該抽象類中定義了register()、configureBlocking()、isBlocking()等方法。

通道和選擇器的監(jiān)控關(guān)系注冊成功后就可以選擇就緒時間。具體的選擇工作由選擇器的select()方法來完成。通過該方法，選擇器可以不斷地選擇通道中發(fā)生操作的就緒狀態(tài)，返回注冊過的感興趣的那些IO事件（函數(shù)放回的是感興趣的IO事件的數(shù)量，）。也就是說一旦通道中發(fā)生了我們在選擇器中注冊過的IO事件，就會被選擇器選中并放入SelectionKeys選擇間的集合中。SelectionKey選擇鍵不僅可以獲得通道的IO事件類型，還可以獲得發(fā)生IO事件所在的通道，此外還可以獲得選出選擇鍵的選擇器實例。使用方式：

public static void main(String[] args) throws IOException {
    try (Selector selector = Selector.open()) {
        while (selector.select() > 0) {
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            for (SelectionKey selectionKey : selectionKeys) {
                if (selectionKey.isAcceptable()) {
                } else if (selectionKey.isReadable()) {
                } else if (selectionKey.isWritable()) {
                } else if (selectionKey.isConnectable()) {
                }
            }
        }
    }
}

到此這篇關(guān)于Java中NIO的三大核心組件詳細解析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)NIO的三大核心組件內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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