Java IO和NIO

Java IO

Java IO面向流，按照流中的最小数据单元可以分为字节流和字符流，顾名思义分别以字节和字符作为数据流中最小的数据单元。
如下图是Java IO中定义的输入输出流，输入输出流之间使用装饰者模式，装饰者模式可以参考设计模式(3)装饰者模式Java实现。

Java IO输入输出流——截图自网络

Java NIO

Java NIO面向通道(Channel)与缓冲区(Buffer)。缓冲区与通道进行交互，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入通道中的。

缓冲区(Buffer)

缓冲区(Buffer)基于特定基本数据类型的容器，所有缓冲区都是抽象类Buffer的子类。缓冲区底层实现是一个数组，设置类似游标的变量记录缓冲区的变化情况。

抽象类Buffer定义变量mark(标定Buffer中一个特定的position)，position(指定下一个将要被写入或者读取的元素索引)，limit(指定可以读取的最大的position)和capacity(可以存储在缓冲区中的最大数据容量)。四者的关系为mark <= position <= limit <= capacity。

public abstract class Buffer {
    static final int SPLITERATOR_CHARACTERISTICS =
        Spliterator.SIZED | Spliterator.SUBSIZED | Spliterator.ORDERED;
    // Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
    private int mark = -1;
    private int position = 0;
    private int limit;
    private int capacity;

    // Used only by direct buffers
    // NOTE: hoisted here for speed in JNI GetDirectBufferAddress
    long address;

    // Creates a new buffer with the given mark, position, limit, and capacity,
    // after checking invariants.
    //
    Buffer(int mark, int pos, int lim, int cap) {       // package-private
        if (cap < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Negative capacity: " + cap);
        this.capacity = cap;
        limit(lim);
        position(pos);
        if (mark >= 0) {
            if (mark > pos)
                throw new IllegalArgumentException("mark > position: ("
                                                   + mark + " > " + pos + ")");
            this.mark = mark;
        }
    }
   .....省略余下代码......
}

基于特定基本数据类型实现不同的缓冲区，例如IntBuffer和ByteBuffer，IntBuffer底层定义int[]，而ByteBuffer底层定义byte[]。
缓冲区分为两种类型：

1. 非直接缓冲区：在JVM中内存中创建，因为每一次系统调用IO时，虚拟机都会将内容在缓冲区和中间缓冲区之间交换，所以是非直接的。缓冲区的内容驻留在JVM内，虽然增加了复制的开销，但是销毁是极为容易的。allocate()方法创建。

2. 直接缓冲区：在JVM内存外开辟内存，也就是使用物理机的直接内存。每一次IO调用，虚拟机都会避免数据在缓冲区和中间缓冲区之间交换，缓冲区的内容驻留在物理内存内，会少一次复制过程。但是因为使用直接内存是操作系统分配的，不在JVM内存中，销毁开销较大。allocateDirect()方法创建。

通道(Channel)

通道用于在缓冲区和位于通道另一侧的实体(例如文件或套接字等)之间有效的传输数据。通道可以理解为一种方式或者途径，借助通道可以最小开销的访问操作系统本身的IO服务。缓冲区存储着通道读取和写入的数据。
通道实现接口Channel。如下代码，接口Channel只定义了两个方法，通道是否打开和关闭一个打开的通道。其他关于通道的具体实现方法都在具体的子类中实现，主要的实现类有FileChannel(读取和写入文件的通道)，DatagramChannel(UDP协议读写网络数据)，SocketChannel(TCP协议读写网络数据)等。

public interface Channel extends Closeable {
    public boolean isOpen();
    public void close() throws IOException;
}