NIO（三）基礎

NIO是什麼？

它是Java1.4之後出現的IO API，與傳統IO和網路API不同，具有非阻塞的特點。

在BIO中我們使用位元組流和字元流。NIO中我們使用channel和buffer。資料總是從一個channel中讀取到buffer中，或者從buffer中寫入到channel中。

NIO的意思是一個執行緒可以讓一個channel將資料讀取到buffer中，與此同時，這個執行緒還可以做其他的事情，執行緒可以等到資料全部進入buffer之後再處理資料，從buffer中寫入執行緒也是一樣的。

selector：選擇器是一個NIO當中的概念，指的是一個物件，能監視多個channel發生的事件（如連線建立，資料到達等）。因此，一個單執行緒可以監視多個channel的資料。

Java NIO 總覽

Java NIO的三個核心基礎元件，

• Channels
• Buffers
• Selectors

其餘的諸如Pipe，FileLcok都是在使用以上三個核心元件時幫助更好使用的工具類。

Channels和Buffers的關係

所有的IO操作在NIO中都是以Channel開始的。一個Channel就像一個流。從Channel中，資料可以被讀取到buffer裡，也可以從buffer裡寫到Channel中。

基本的Channel實現有以下這些：

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

涵蓋了UDP,TCP以及檔案的IO操作。

核心的buffer實現有這些

• ByteBuffer
• CharBuffer
• DoubleBuffer
• FloatBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• ShortBuffer

涵蓋了所有的基本資料型別（4類8種，除了Boolean）。也有其他的buffer如MappedByteBuffer，此處不講。

selectors

selector允許一個執行緒來監視多個Channel，這在當你的應用建立了多個連線，但是每個連線吞吐量都較小的時候是可行的。例如：一個聊天伺服器。圖為一個執行緒使用selector處理三個channel。

要使用一個Selector，你要先註冊這個selector的Channels。然後你呼叫selector的select()方法。這個方法會阻塞，直到它註冊的channels當中有一個準備好了的事件發生了。當select()方法返回的時候，執行緒可以處理這些事件，如新的連線的到來，資料收到了等。

NIO Channels

NIO channel和流很近似但是也有一些不同。

• 你既可以讀取也可以寫入到channel，流只能讀取或者寫入，inputStream和outputStream。
• channel可以非同步地讀和寫。
• channel永遠都是從一個buffer中讀或者寫入到一個buffer中去。

channel的實現

以下是NIO中最重要的幾個channel的實現。

• FileChannel 向檔案當中讀寫資料。
• DatagramChannel 通過UDP協議向網路讀寫資料
• SocketChannel 通過TCP協議向網路讀寫資料
• ServerSocketChannel 以一個web伺服器的形式，監聽到來的TCP連線，對每個連線建立一個SocketChannel。

一個簡單的channel例子

使用一個FileChannel將資料讀入一個buffer

     RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
    FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

    int bytesRead = inChannel.read(buf);
    while (bytesRead != -1) {

      System.out.println("Read " + bytesRead);
      buf.flip();

      while(buf.hasRemaining()){
          System.out.print((char) buf.get());
      }

      buf.clear();
      bytesRead = inChannel.read(buf);
    }
    aFile.close();

buf.flip()的意思是讀寫轉換，首先你讀入一個buffer，然後你flip，轉換讀寫，然後再從buffer中讀出，buffer的操作接下來會講。

NIO buffer

NIO buffer在與NIO Channel互動時使用，資料從channel中讀取出來放入buffer，或者從buffer中讀取出來寫入channel。

buffer就是一塊記憶體，你可以寫入資料，並且在之後讀取它。這塊記憶體被包裝成NIO buffer物件，它提供了一些方法來讓你更簡單地操作記憶體。

buffer的基本使用

使用buffer讀寫資料基本上分為以下4部操作：

1. 將資料寫入buffer
2. 呼叫buffer.flip()
3. 將資料從buffer中讀取出來
4. 呼叫buffer.clear()或者buffer.compact()

在寫buffer的時候，buffer會跟蹤寫入了多少資料，需要讀buffer的時候，需要呼叫flip()來將buffer從寫模式切換成讀模式，讀模式中只能讀取寫入的資料，而非整個buffer。

當資料都讀完了，你需要清空buffer以供下次使用，可以有2種方法來操作：

• 呼叫clear()
• 呼叫compact()

區別：clear方法清空整個buffer，compact方法只清除你已經讀取的資料，未讀取的資料會被移到buffer的開頭，此時寫入資料會從當前資料的末尾開始。

一個簡單的buffer使用例子：

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

//建立一個容量為48的ByteBuffer
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buf); //從channel中讀（取資料然後寫）入buffer
//下面是讀取buffer
while (bytesRead != -1) {

      buf.flip();                      //轉換buffer為讀模式

     while(buf.hasRemaining()){
          System.out.print((char) buf.get()); // 一次讀取一個byte
      }

  buf.clear();                         //清空buffer準備下一次寫入
  bytesRead = inChannel.read(buf);    
}
aFile.close();

buffer的Capacity,Position和Limit

buffer有3個屬性需要熟悉以理解buffer的工作原理：

• 容量（Capacity）：緩衝區能夠容納的資料元素的最大數量。容量在緩衝區建立時被設定，並且永遠不能被改變。
• 上界（Limit）：寫模式中等價於buffer的大小，即capacity；讀模式中為當前緩衝區中一共有多少資料，即可讀的最大位置。這意味著當呼叫filp()方法切換成讀模式時，limit的值變成position的值，而position重新指向0.
• 位置（Position）：下一個要被讀或寫的元素的位置。初始化為0，buffer滿時，position最大值為capacity-1。切換成讀模式的時候，position指向0。Position會自動由相應的 get( )和 put( )函式更新。

position和limit的值在讀/寫模式中是不一樣的。
capacity的值永遠表示buffer的大小。

下圖解釋了在讀/寫模式中Capacity,Position和Limit的意思。

buffer的種類

Java NIO中有以下這些buffer種類：

• ByteBuffer
• MappedByteBuffer //比較特殊，會在以後講解
• CharBuffer
• DoubleBuffer
• FloatBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• ShortBuffer

建立一個buffer

獲得一個buffer 之前必須先分配一塊記憶體，每個buffer類都有一個靜態方法allocate() 來做這件事。

下例為建立一個容量為48byte的ByteBuffer：
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

建立一個1024個字元的CharBuffer
CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

將資料寫入buffer

寫入buffer的方法有2種：

• 1.從一個channel中寫入buffer。
• 2.呼叫buffer的put()方法來自行寫入資料。

例：

int bytesRead = inChannel.read(buf); //從channel讀入buffer

buf.put(127); //自行寫入buffer

put方法有很多的過載形式。以供你用各種不同的方法寫入buffer中，比如從一個特定的position，或者寫入一個array，詳見JavaDoc。

flip()

flip方法將寫模式切換成讀模式，呼叫flip()方法會將limit設定為position，將position設定回0。

換句話說，position標誌著寫模式中寫到哪裡，切換成讀模式之後，limit標誌著之前寫到哪裡，也就是現在能讀到哪裡。

從buffer中讀取資料

有2種方法可以從buffer中讀取資料。

• 1.從buffer中讀取資料到channel中。
• 2.使用buffer的get()方法自行從buffer中讀出資料。

例子：

//從buffer中讀取資料到channel中
int bytesWritten = inChannel.write(buf);

//使用buffer的get()方法自行從buffer中讀出資料
byte aByte = buf.get();    

get方法有很多的過載形式。以供你用各種不同的方法讀取buffer中的資料。例如從特定位置讀取資料，或者讀一個陣列出來。詳見JavaDoc。

rewind()

rewind()方法將position設定為0，但是不會動buffer裡的資料，這樣可以從頭開始重新讀取資料，limit的值不會變，這意味著limit依舊標誌著能讀多少資料。

clear()和compact()

當你讀完所有的資料想要重新寫入資料時，你可以呼叫clear或者compact方法。

當你呼叫clear()方法的時候，position被設定為0，limit被設定為capacity，換句話說，buffer的資料雖然都還在，但是buffer被初始化了，處於可以被重寫的狀態。

這也就意味著如果buffer中還有沒被讀取的資料，在執行clear之後，你無法知道資料讀到哪兒了，剩下的資料還有多少。

如果還有沒有讀完的資料，但是你想先寫資料，可以用compact()方法，這樣未讀資料會放在buffer前端，可以在未讀資料之後跟著寫新的資料。compact()會複製未讀資料到buffer前端，然後設定position為未讀資料單位後面緊跟的位置。limit還是設定為capacity，這和clear是一樣的。現在buffer處於可以寫的狀態，但是不會覆蓋之前未讀完的資料。

mark()和reset()

你可以通過呼叫buffer.mark()來mark一個buffer中給定的位置。然後你就可以用buffer.reset()方法來講position設定回之前mark的位置。

例子：

buffer.mark();

//呼叫buffer.get()方法若干次，e.g. 比如在做parsing的時候

buffer.reset();  //set position back to mark.   

equals() 和 compareTo()

使用這2種方法能夠比較2個buffer。

equals()

equals()方法用於判斷2個buffer是否相等，2個buffer是equal的，當它們：

1. 是同一種資料型別的buffer。
2. buffer中未讀取的bytes，chars等資料個數是一樣的，即（limit-position）相等，capacity不需要相等，剩餘資料的索引也不需要相等。
3. 未讀取的bytes，chars等內容是一模一樣的，即各自[position，limit-1]索引的資料要完全相等。

如你所見，equals()方法只比較buffer的部分內容，而不是buffer中所有的資料，事實上，它只比較buffer中剩餘的元素是否一樣。

compareTo()

compareTo()方法比較兩個buffer的剩餘元素（位元組，字元等），用於例如： 排序。

在下列情況下，緩衝區被認為比另一個緩衝區“小”：

比較是針對每個緩衝區你剩餘資料（從 position 到 limit）進行的，與它們在 equals() 中的方式相同，直到不相等的元素被發現或者到達緩衝區的上界。如果一個緩衝區在不相等元素發現前已經被耗盡，較短的緩衝區被認為是小於較長的緩衝區。

if (buffer1.compareTo(buffer2) < 0) { 
// do sth, it means buffer2 < buffer1，not buffer1 < buffer2
    doSth(); 
}