【Java高级】Java NIO详解

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Java NIO就是Java New IO的缩写，关于老的Java IO的进阶说明请移步：【Java高级】Java IO进阶

Java NIO主要依靠三个类：Channel、Buffer和Selector实现了一系列高效的异步阻塞IO模型。与同步IO相比，其具有高效、简单和异步的特点，使得程序可以在一个线程内管理多个输入、输出。

他们之间的关系可以描述为：

• Buffer是Channel的底层存储结构，是按照字节、数字等存储的
• Channel是一种通道，是对于文件的一种抽象，它使得我们可以访问诸如内存映射、文件加锁机制和文件间数据的快速传递等操作系统特性
• Selector轮询Channel被注册的的事件，一旦Channel有事件通知，就处理发生在Channel上的事件

Buffer底层

Buffer是一个抽象类，实现了它的类包括ByteBuffer IntBuffer CharBuffer等，分别以byte int char等类型的数组作为存储单元。在NIO中，数据只能写到Buffer中，也读取的数据也只能存储在Buffer中。

Buffer的底层使用数组来进行存储，除了数组以外，使用三个指针来控制其读写内容：

• capacity: 容量，就是数组的大小
• position: 初始为0，下一次读写的位置指针（数组下标）
• limit: 读写的极限位置，可被读写的数据区数组下标（比如数据大小为20，其中存储了10条数据，那么在读的时候limit=9）

此外，还有一个mark字段，与输入流类似，可以在当前位置打标签，然后通过reset将读取位置position设置到mark，即可实现重复数据读取。

在进行Buffer的使用之前需要先申请数组的大小，使用allocate方法来申请缓冲区数据大小。然后通过对这个数组的反复读写来实现数据的缓存功能

Buffer常用的一些方法如下：

• public Buffer flip():读写模式转换，从读模式转换到写模式或者从写模式转换到读模式
• public Buffer mark(): 在当前位置打标记
• public Buffer reset(): 将position设置成mark位置
• public Buffer clear(): 清空数据（实际是指针初始化为初始值）
• public Buffer rewind(): position复位到0，可实现数据重复读取
• public T compact(): 整理，将数据移动到从数据头开始

Channel

Channel是一种文件通道，通过Channel可以获取文件的各种属性等，它与上篇中介绍的流库很类似，但是Channel只能通过与Buffer交互来进行数据访问。同时，通道是双向的、可异步读写的。操作文件的是FileChannel。

下面代码演示了FileChannel与ByteBuffer交互处理数据：

public class Test {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        writeData();
        readData();
    }

    // 写数据
    public static void writeData() throws Exception {
        FileChannel channel = FileChannel.open(Path.of("D:\\data.txt"), StandardOpenOption.WRITE); // 写模式
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
        buffer.put("this is a test buffer.".getBytes());
        buffer.flip(); // 将buffer变为读模式，方便channel读
        channel.write(buffer); // 从buffer读数据
        channel.close();
    }

    // 读数据
    public static void readData() throws Exception {
        FileChannel channel = FileChannel.open(Path.of("D:\\data.txt"), StandardOpenOption.READ); // 读模式
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);

        int readSize = -1;
        do {
            readSize = channel.read(buffer); // 从channel读到buffer，这里buffer是写模式
            System.out.println("\nread size: " + readSize);
            buffer.flip(); // 转换为读模式

            // 取buffer中的数据
            while (buffer.hasRemaining()) System.out.print("/" + (char) buffer.get());

            buffer.clear();
        } while (readSize != -1);

        channel.close();
    }
}

输出结果：

read size: 22
/t/h/i/s/ /i/s/ /a/ /t/e/s/t/ /b/u/f/f/e/r/.
read size: -1

Selector

Selector通过【注册-轮询】的机制来使得程序允许以异步的方式获取输入输出。一个Selector中可以注册多个Channel，然后Selector就不断轮询这些Channel，一旦事件发生，在Selector里面就可以手动获取到。

首先，创建一个Selector：

Selector selector = Selector.open();

其次，将Channel设置为非阻塞模式：

channel.configureBlocking(false);

注意的是，只有继承自SelectableChannel或者AbstractSelectableChannel的类才可以设置为非阻塞模式，才能使用Selector，我们上面使用的FileChannel不可以使用Selector，而SocketChannel SocketServerChannel等可以使用Selector。

接着，可以为Selector注册感兴趣的事件：

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);

第一个参数表示要注册的选择器，第二个参数表示感兴趣的事件，事件有多种。

SelectionKey中有一系列的方法来表示该通道是否就绪，是否可读、可写等，在实际使用过程中，也是使用SelectionKey来查询通道的状态。

AIO

AIO是一种除了注册事件以外，还注册了事件处理器的模型，可以初步理解为使用了观察者模式的NIO，这样就不用使用循环来不断轮询Selector状态了。

具体的实现可以自行查阅