Java NIO：Buffer、Channel 和 Selector

本文將介紹 Java NIO 中三大組件?Buffer、Channel、Selector?的使用。

本來要一起介紹非阻塞 IO?和 JDK7 的異步 IO?的，不過因?yàn)橹暗奈恼抡娴奶L了，有點(diǎn)影響讀者閱讀，所以這里將它們放到另一篇文章中進(jìn)行介紹。

Buffer

一個 Buffer 本質(zhì)上是內(nèi)存中的一塊，我們可以將數(shù)據(jù)寫入這塊內(nèi)存，之后從這塊內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)。

java.nio 定義了以下幾個 Buffer 的實(shí)現(xiàn)，這個圖讀者應(yīng)該也在不少地方見過了吧。

其實(shí)核心是最后的?ByteBuffer，前面的一大串類只是包裝了一下它而已，我們使用最多的通常也是 ByteBuffer。

我們應(yīng)該將 Buffer 理解為一個數(shù)組，IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分別對應(yīng) int[]、char[]、double[] 等。

MappedByteBuffer 用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)存映射文件，也不是本文關(guān)注的重點(diǎn)。

我覺得操作 Buffer 和操作數(shù)組、類集差不多，只不過大部分時候我們都把它放到了 NIO 的場景里面來使用而已。下面介紹 Buffer 中的幾個重要屬性和幾個重要方法。

position、limit、capacity

就像數(shù)組有數(shù)組容量，每次訪問元素要指定下標(biāo)，Buffer 中也有幾個重要屬性：position、limit、capacity。

最好理解的當(dāng)然是 capacity，它代表這個緩沖區(qū)的容量，一旦設(shè)定就不可以更改。比如 capacity 為 1024 的 IntBuffer，代表其一次可以存放 1024 個 int 類型的值。一旦 Buffer 的容量達(dá)到 capacity，需要清空 Buffer，才能重新寫入值。

position 和 limit 是變化的，我們分別看下讀和寫操作下，它們是如何變化的。

position?的初始值是 0，每往 Buffer 中寫入一個值，position 就自動加 1，代表下一次的寫入位置。讀操作的時候也是類似的，每讀一個值，position 就自動加 1。

從寫操作模式到讀操作模式切換的時候（flip），position 都會歸零，這樣就可以從頭開始讀寫了。

Limit：寫操作模式下，limit 代表的是最大能寫入的數(shù)據(jù)，這個時候 limit 等于 capacity。寫結(jié)束后，切換到讀模式，此時的 limit 等于 Buffer 中實(shí)際的數(shù)據(jù)大小，因?yàn)?Buffer 不一定被寫滿了。

初始化 Buffer

每個 Buffer 實(shí)現(xiàn)類都提供了一個靜態(tài)方法?allocate(int capacity)?幫助我們快速實(shí)例化一個 Buffer。如：

ByteBuffer?byteBuf?=?ByteBuffer.allocate(1024);
IntBuffer?intBuf?=?IntBuffer.allocate(1024);
LongBuffer?longBuf?=?LongBuffer.allocate(1024);//?...

另外，我們經(jīng)常使用 wrap 方法來初始化一個 Buffer。

public?static?ByteBuffer?wrap(byte[]?array)?{
????...
}

填充 Buffer

各個 Buffer 類都提供了一些 put 方法用于將數(shù)據(jù)填充到 Buffer 中，如 ByteBuffer 中的幾個 put 方法：

//?填充一個?byte?值public?abstract?ByteBuffer?put(byte?b);//?在指定位置填充一個?int?值public?abstract?ByteBuffer?put(int?index,?byte?b);//?將一個數(shù)組中的值填充進(jìn)去public?final?ByteBuffer?put(byte[]?src)?{...}public?ByteBuffer?put(byte[]?src,?int?offset,?int?length)?{...}

上述這些方法需要自己控制 Buffer 大小，不能超過 capacity，超過會拋 java.nio.BufferOverflowException 異常。

對于 Buffer 來說，另一個常見的操作中就是，我們要將來自 Channel 的數(shù)據(jù)填充到 Buffer 中，在系統(tǒng)層面上，這個操作我們稱為讀操作，因?yàn)閿?shù)據(jù)是從外部（文件或網(wǎng)絡(luò)等）讀到內(nèi)存中。

int?num?=?channel.read(buf);

上述方法會返回從 Channel 中讀入到 Buffer 的數(shù)據(jù)大小。

提取 Buffer 中的值

前面介紹了寫操作，每寫入一個值，position 的值都需要加 1，所以 position 最后會指向最后一次寫入的位置的后面一個，如果 Buffer 寫滿了，那么 position 等于 capacity（position 從 0 開始）。

如果要讀 Buffer 中的值，需要切換模式，從寫入模式切換到讀出模式。注意，通常在說 NIO 的讀操作的時候，我們說的是從 Channel 中讀數(shù)據(jù)到 Buffer 中，對應(yīng)的是對 Buffer 的寫入操作，初學(xué)者需要理清楚這個。

調(diào)用 Buffer 的?flip()?方法，可以從寫入模式切換到讀取模式。其實(shí)這個方法也就是設(shè)置了一下 position 和 limit 值罷了。

public?final?Buffer?flip()?{
????limit?=?position;?//?將?limit?設(shè)置為實(shí)際寫入的數(shù)據(jù)數(shù)量
????position?=?0;?//?重置?position?為?0
????mark?=?-1;?//?mark?之后再說
????return?this;
}

對應(yīng)寫入操作的一系列 put 方法，讀操作提供了一系列的 get 方法：

//?根據(jù)?position?來獲取數(shù)據(jù)public?abstract?byte?get();//?獲取指定位置的數(shù)據(jù)public?abstract?byte?get(int?index);//?將?Buffer?中的數(shù)據(jù)寫入到數(shù)組中public?ByteBuffer?get(byte[]?dst)

附一個經(jīng)常使用的方法：

new?String(buffer.array()).trim();

當(dāng)然了，除了將數(shù)據(jù)從 Buffer 取出來使用，更常見的操作是將我們寫入的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?Channel 中，如通過 FileChannel 將數(shù)據(jù)寫入到文件中，通過 SocketChannel 將數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程機(jī)器等。對應(yīng)的，這種操作，我們稱之為寫操作。

int?num?=?channel.write(buf);

mark() & reset()

除了 position、limit、capacity 這三個基本的屬性外，還有一個常用的屬性就是 mark。

mark 用于臨時保存 position 的值，每次調(diào)用 mark() 方法都會將 mark 設(shè)值為當(dāng)前的 position，便于后續(xù)需要的時候使用。

public?final?Buffer?mark()?{
????mark?=?position;????return?this;
}

那到底什么時候用呢？考慮以下場景，我們在 position 為 5 的時候，先 mark() 一下，然后繼續(xù)往下讀，讀到第 10 的時候，我想重新回到 position 為 5 的地方重新來一遍，那只要調(diào)一下 reset() 方法，position 就回到 5 了。

public?final?Buffer?reset()?{????int?m?=?mark;????if?(m?<?0)????????throw?new?InvalidMarkException();
????position?=?m;????return?this;
}

rewind() & clear() & compact()

rewind()：會重置 position 為 0，通常用于重新從頭讀寫 Buffer。

public?final?Buffer?rewind()?{
????position?=?0;
????mark?=?-1;????return?this;
}

clear()：有點(diǎn)重置 Buffer 的意思，相當(dāng)于重新實(shí)例化了一樣。

通常，我們會先填充 Buffer，然后從 Buffer 讀取數(shù)據(jù)，之后我們再重新往里填充新的數(shù)據(jù)，我們一般在重新填充之前先調(diào)用 clear()。

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

compact()：和 clear() 一樣的是，它們都是在準(zhǔn)備往 Buffer 填充新的數(shù)據(jù)之前調(diào)用。

前面說的 clear() 方法會重置幾個屬性，但是我們要看到，clear() 方法并不會將 Buffer 中的數(shù)據(jù)清空，只不過后續(xù)的寫入會覆蓋掉原來的數(shù)據(jù)，也就相當(dāng)于清空了數(shù)據(jù)了。

而 compact() 方法有點(diǎn)不一樣，調(diào)用這個方法以后，會先處理還沒有讀取的數(shù)據(jù)，也就是 position 到 limit 之間的數(shù)據(jù)（還沒有讀過的數(shù)據(jù)），先將這些數(shù)據(jù)移到左邊，然后在這個基礎(chǔ)上再開始寫入。很明顯，此時 limit 還是等于 capacity，position 指向原來數(shù)據(jù)的右邊。

Channel

所有的 NIO 操作始于通道，通道是數(shù)據(jù)來源或數(shù)據(jù)寫入的目的地，主要地，我們將關(guān)心 java.nio 包中實(shí)現(xiàn)的以下幾個 Channel：

• FileChannel：文件通道，用于文件的讀和寫

• DatagramChannel：用于 UDP 連接的接收和發(fā)送

• SocketChannel：把它理解為 TCP 連接通道，簡單理解就是 TCP 客戶端

• ServerSocketChannel：TCP 對應(yīng)的服務(wù)端，用于監(jiān)聽某個端口進(jìn)來的請求

這里不是很理解這些也沒關(guān)系，后面介紹了代碼之后就清晰了。還有，我們最應(yīng)該關(guān)注，也是后面將會重點(diǎn)介紹的是 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。

Channel 經(jīng)常翻譯為通道，類似 IO 中的流，用于讀取和寫入。它與前面介紹的 Buffer 打交道，讀操作的時候?qū)?Channel 中的數(shù)據(jù)填充到 Buffer 中，而寫操作時將 Buffer 中的數(shù)據(jù)寫入到 Channel 中。

至少讀者應(yīng)該記住一點(diǎn)，這兩個方法都是 channel 實(shí)例的方法。

FileChannel

我想文件操作對于大家來說應(yīng)該是最熟悉的，不過我們在說 NIO 的時候，其實(shí) FileChannel 并不是關(guān)注的重點(diǎn)。而且后面我們說非阻塞的時候會看到，F(xiàn)ileChannel 是不支持非阻塞的。

這里算是簡單介紹下常用的操作吧，感興趣的讀者瞄一眼就是了。

初始化：

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

當(dāng)然了，我們也可以從 RandomAccessFile#getChannel 來得到 FileChannel。

讀取文件內(nèi)容：

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

前面我們也說了，所有的 Channel 都是和 Buffer 打交道的。

寫入文件內(nèi)容：

ByteBuffer?buffer?=?ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("隨機(jī)寫入一些內(nèi)容到?Buffer?中".getBytes());//?Buffer?切換為讀模式buffer.flip();while(buffer.hasRemaining())?{????//?將?Buffer?中的內(nèi)容寫入文件
????fileChannel.write(buffer);
}

SocketChannel

我們前面說了，我們可以將 SocketChannel 理解成一個 TCP 客戶端。雖然這么理解有點(diǎn)狹隘，因?yàn)槲覀冊诮榻B ServerSocketChannel 的時候會看到另一種使用方式。

打開一個 TCP 連接：

SocketChannel?socketChannel?=?SocketChannel.open(new?InetSocketAddress("https://www.javadoop.com",?80));

當(dāng)然了，上面的這行代碼等價于下面的兩行：

//?打開一個通道SocketChannel?socketChannel?=?SocketChannel.open();//?發(fā)起連接socketChannel.connect(new?InetSocketAddress("https://www.javadoop.com",?80));

SocketChannel 的讀寫和 FileChannel 沒什么區(qū)別，就是操作緩沖區(qū)。

//?讀取數(shù)據(jù)socketChannel.read(buffer);//?寫入數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)連接中while(buffer.hasRemaining())?{
????socketChannel.write(buffer);???
}

不要在這里停留太久，先繼續(xù)往下走。

ServerSocketChannel

之前說 SocketChannel 是 TCP 客戶端，這里說的 ServerSocketChannel 就是對應(yīng)的服務(wù)端。

ServerSocketChannel 用于監(jiān)聽機(jī)器端口，管理從這個端口進(jìn)來的 TCP 連接。

//?實(shí)例化ServerSocketChannel?serverSocketChannel?=?ServerSocketChannel.open();//?監(jiān)聽?8080?端口serverSocketChannel.socket().bind(new?InetSocketAddress(8080));while?(true)?{????//?一旦有一個?TCP?連接進(jìn)來，就對應(yīng)創(chuàng)建一個?SocketChannel?進(jìn)行處理
????SocketChannel?socketChannel?=?serverSocketChannel.accept();
}

這里我們可以看到 SocketChannel 的第二個實(shí)例化方式

到這里，我們應(yīng)該能理解 SocketChannel 了，它不僅僅是 TCP 客戶端，它代表的是一個網(wǎng)絡(luò)通道，可讀可寫。

ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了，因?yàn)樗⒉粚?shí)際處理數(shù)據(jù)，它一旦接收到請求后，實(shí)例化 SocketChannel，之后在這個連接通道上的數(shù)據(jù)傳遞它就不管了，因?yàn)樗枰^續(xù)監(jiān)聽端口，等待下一個連接。焦作國醫(yī)胃腸醫(yī)院正規(guī)嗎：http://jz.lieju.com/zhuankeyiyuan/37325238.htm

DatagramChannel

UDP 和 TCP 不一樣，DatagramChannel 一個類處理了服務(wù)端和客戶端。

科普一下，UDP 是面向無連接的，不需要和對方握手，不需要通知對方，就可以直接將數(shù)據(jù)包投出去，至于能不能送達(dá)，它是不知道的

監(jiān)聽端口：

DatagramChannel?channel?=?DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new?InetSocketAddress(9090));

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

channel.receive(buf);

發(fā)送數(shù)據(jù)：

String?newData?=?"New?String?to?write?to?file..."
????????????????????+?System.currentTimeMillis();

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

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

Selector

NIO 三大組件就剩 Selector 了，Selector 建立在非阻塞的基礎(chǔ)之上，大家經(jīng)常聽到的?多路復(fù)用?在 Java 世界中指的就是它，用于實(shí)現(xiàn)一個線程管理多個 Channel。

讀者在這一節(jié)不能消化 Selector 也沒關(guān)系，因?yàn)楹罄m(xù)在介紹非阻塞 IO 的時候還得說到這個，這里先介紹一些基本的接口操作。

1. 首先，我們開啟一個 Selector。你們愛翻譯成選擇器也好，多路復(fù)用器也好。

   Selector?selector?=?Selector.open();

2. 將 Channel 注冊到 Selector 上。前面我們說了，Selector 建立在非阻塞模式之上，所以注冊到 Selector 的 Channel 必須要支持非阻塞模式，FileChannel 不支持非阻塞，我們這里討論最常見的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。https://www.jianshu.com/p/5e19f3a9f6dd

   //?將通道設(shè)置為非阻塞模式，因?yàn)槟J(rèn)都是阻塞模式的channel.configureBlocking(false);//?注冊SelectionKey?key?=?channel.register(selector,?SelectionKey.OP_READ);

   register 方法的第二個 int 型參數(shù)（使用二進(jìn)制的標(biāo)記位）用于表明需要監(jiān)聽哪些感興趣的事件，共以下四種事件：

   我們可以同時監(jiān)聽一個 Channel 中的發(fā)生的多個事件，比如我們要監(jiān)聽 ACCEPT 和 READ 事件，那么指定參數(shù)為二進(jìn)制的 00010001?即十進(jìn)制數(shù)值 17 即可。

   注冊方法返回值是?SelectionKey?實(shí)例，它包含了 Channel 和 Selector 信息，也包括了一個叫做 Interest Set 的信息，即我們設(shè)置的我們感興趣的正在監(jiān)聽的事件集合。

• SelectionKey.OP_READ

  對應(yīng) 00000001，通道中有數(shù)據(jù)可以進(jìn)行讀取

• SelectionKey.OP_WRITE

  對應(yīng) 00000100，可以往通道中寫入數(shù)據(jù)

• SelectionKey.OP_CONNECT

  對應(yīng) 00001000，成功建立 TCP 連接

• SelectionKey.OP_ACCEPT

  對應(yīng) 00010000，接受 TCP 連接

調(diào)用 select() 方法獲取通道信息。用于判斷是否有我們感興趣的事件已經(jīng)發(fā)生了。

Selector 的操作就是以上 3 步，這里來一個簡單的示例，大家看一下就好了。之后在介紹非阻塞 IO 的時候，會演示一份可執(zhí)行的示例代碼。

Selector?selector?=?Selector.open();

channel.configureBlocking(false);

SelectionKey?key?=?channel.register(selector,?SelectionKey.OP_READ);while(true)?{??//?判斷是否有事件準(zhǔn)備好
??int?readyChannels?=?selector.select();??if(readyChannels?==?0)?continue;??//?遍歷
??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();
??}
}

對于 Selector，我們還需要非常熟悉以下幾個方法：

1. select()

   調(diào)用此方法，會將上次 select 之后的準(zhǔn)備好的 channel 對應(yīng)的 SelectionKey 復(fù)制到 selected set 中。如果沒有任何通道準(zhǔn)備好，這個方法會阻塞，直到至少有一個通道準(zhǔn)備好。

2. selectNow()

   功能和 select 一樣，區(qū)別在于如果沒有準(zhǔn)備好的通道，那么此方法會立即返回 0。

3. select(long timeout)

   看了前面兩個，這個應(yīng)該很好理解了，如果沒有通道準(zhǔn)備好，此方法會等待一會

4. wakeup()

   這個方法是用來喚醒等待在 select() 和 select(timeout) 上的線程的。如果 wakeup() 先被調(diào)用，此時沒有線程在 select 上阻塞，那么之后的一個 select() 或 select(timeout) 會立即返回，而不會阻塞，當(dāng)然，它只會作用一次。