本文轉載自網際網路

本系列文章將整理到我在GitHub上的《Java面試指南》倉庫，更多精彩內容請到我的倉庫裡檢視
> https://github.com/h2pl/Java-Tutorial

喜歡的話麻煩點下Star哈

文章將同步到我的個人部落格：
> www.how2playlife.com

本文是微信公眾號【Java技術江湖】的《不可輕視的Java網路程式設計》其中一篇，本文部分內容來源於網路，為了把本文主題講得清晰透徹，也整合了很多我認為不錯的技術部落格內容，引用其中了一些比較好的部落格文章，如有侵權，請聯絡作者。

該系列博文會告訴你如何從計算機網路的基礎知識入手，一步步地學習Java網路基礎，從socket到nio、bio、aio和netty等網路程式設計知識，並且進行實戰，網路程式設計是每一個Java後端工程師必須要學習和理解的知識點，進一步來說，你還需要掌握Linux中的網路程式設計原理，包括IO模型、網路程式設計框架netty的進階原理，才能更完整地瞭解整個Java網路程式設計的知識體系，形成自己的知識框架。

為了更好地總結和檢驗你的學習成果，本系列文章也會提供部分知識點對應的面試題以及參考答案。

如果對本系列文章有什麼建議，或者是有什麼疑問的話，也可以關注公眾號【Java技術江湖】聯絡作者，歡迎你參與本系列博文的創作和修訂。

本文將介紹 Java NIO 中三大元件 **Buffer、Channel、Selector** 的使用。

本來要一起介紹**非阻塞 IO** 和 JDK7 的**非同步 IO** 的，不過因為之前的文章真的太長了，有點影響讀者閱讀，所以這裡將它們放到另一篇文章中進行介紹。

## Buffer

一個 Buffer 本質上是記憶體中的一塊，我們可以將資料寫入這塊記憶體，之後從這塊記憶體獲取資料。

java.nio 定義了以下幾個 Buffer 的實現，這個圖讀者應該也在不少地方見過了吧。

![6](https://www.javadoop.com/blogimages/nio/6.png)

其實核心是最後的 **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。

我們應該將 Buffer 理解為一個陣列，IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分別對應 int[]、char[]、double[] 等。

MappedByteBuffer 用於實現記憶體對映檔案，也不是本文關注的重點。

我覺得操作 Buffer 和運算元組、類集差不多，只不過大部分時候我們都把它放到了 NIO 的場景裡面來使用而已。下面介紹 Buffer 中的幾個重要屬性和幾個重要方法。

### position、limit、capacity

就像陣列有陣列容量，每次訪問元素要指定下標，Buffer 中也有幾個重要屬性：position、limit、capacity。

![5](https://www.javadoop.com/blogimages/nio/5.png)

最好理解的當然是 capacity，它代表這個緩衝區的容量，一旦設定就不可以更改。比如 capacity 為 1024 的 IntBuffer，代表其一次可以存放 1024 個 int 型別的值。一旦 Buffer 的容量達到 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資料，這個時候 limit 等於 capacity。寫結束後，切換到讀模式，此時的 limit 等於 Buffer 中實際的資料大小，因為 Buffer 不一定被寫滿了。

![7](https://www.javadoop.com/blogimages/nio/7.png)

### 初始化 Buffer

每個 Buffer 實現類都提供了一個靜態方法 `allocate(int capacity)` 幫助我們快速例項化一個 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 方法用於將資料填充到 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);
// 將一個陣列中的值填充進去
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。

對於 Buffer 來說，另一個常見的操作中就是，我們要將來自 Channel 的資料填充到 Buffer 中，在系統層面上，這個操作我們稱為**讀操作**，因為資料是從外部（檔案或網路等）讀到記憶體中。

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

上述方法會返回從 Channel 中讀入到 Buffer 的資料大小。

### 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 最後會指向最後一次寫入的位置的後面一個，如果 Buffer 寫滿了，那麼 position 等於 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 中讀資料到 Buffer 中，對應的是對 Buffer 的寫入操作，初學者需要理清楚這個。

呼叫 Buffer 的 **flip()** 方法，可以從寫入模式切換到讀取模式。其實這個方法也就是設定了一下 position 和 limit 值罷了。

```
public final Buffer flip() {
    limit = position; // 將 limit 設定為實際寫入的資料數量
    position = 0; // 重置 position 為 0
    mark = -1; // mark 之後再說
    return this;
}
```

對應寫入操作的一系列 put 方法，讀操作提供了一系列的 get 方法：

```
// 根據 position 來獲取資料
public abstract byte get();
// 獲取指定位置的資料
public abstract byte get(int index);
// 將 Buffer 中的資料寫入到陣列中
public ByteBuffer get(byte[] dst)
```

附一個經常使用的方法：

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

當然了，除了將資料從 Buffer 取出來使用，更常見的操作是將我們寫入的資料傳輸到 Channel 中，如透過 FileChannel 將資料寫入到檔案中，透過 SocketChannel 將資料寫入網路傳送到遠端機器等。對應的，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 用於臨時儲存 position 的值，每次呼叫 mark() 方法都會將 mark 設值為當前的 position，便於後續需要的時候使用。

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

那到底什麼時候用呢？考慮以下場景，我們在 position 為 5 的時候，先 mark() 一下，然後繼續往下讀，讀到第 10 的時候，我想重新回到 position 為 5 的地方重新來一遍，那隻要調一下 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，通常用於重新從頭讀寫 Buffer。

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

**clear()**：有點重置 Buffer 的意思，相當於重新例項化了一樣。

通常，我們會先填充 Buffer，然後從 Buffer 讀取資料，之後我們再重新往裡填充新的資料，我們一般在重新填充之前先呼叫 clear()。

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

**compact()**：和 clear() 一樣的是，它們都是在準備往 Buffer 填充新的資料之前呼叫。

前面說的 clear() 方法會重置幾個屬性，但是我們要看到，clear() 方法並不會將 Buffer 中的資料清空，只不過後續的寫入會覆蓋掉原來的資料，也就相當於清空了資料了。

而 compact() 方法有點不一樣，呼叫這個方法以後，會先處理還沒有讀取的資料，也就是 position 到 limit 之間的資料（還沒有讀過的資料），先將這些資料移到左邊，然後在這個基礎上再開始寫入。很明顯，此時 limit 還是等於 capacity，position 指向原來資料的右邊。

## Channel

所有的 NIO 操作始於通道，通道是資料來源或資料寫入的目的地，主要地，我們將關心 java.nio 包中實現的以下幾個 Channel：

![8](https://www.javadoop.com/blogimages/nio/8.png)

*   FileChannel：檔案通道，用於檔案的讀和寫
*   DatagramChannel：用於 UDP 連線的接收和傳送
*   SocketChannel：把它理解為 TCP 連線通道，簡單理解就是 TCP 客戶端
*   ServerSocketChannel：TCP 對應的服務端，用於監聽某個埠進來的請求

**這裡不是很理解這些也沒關係，後面介紹了程式碼之後就清晰了。還有，我們最應該關注，也是後面將會重點介紹的是 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。**

Channel 經常翻譯為通道，類似 IO 中的流，用於讀取和寫入。它與前面介紹的 Buffer 打交道，讀操作的時候將 Channel 中的資料填充到 Buffer 中，而寫操作時將 Buffer 中的資料寫入到 Channel 中。

![9](https://www.javadoop.com/blogimages/nio/9.png)

![10](https://www.javadoop.com/blogimages/nio/10.png)

至少讀者應該記住一點，這兩個方法都是 channel 例項的方法。

### FileChannel

我想檔案操作對於大家來說應該是最熟悉的，不過我們在說 NIO 的時候，其實 FileChannel 並不是關注的重點。而且後面我們說非阻塞的時候會看到，FileChannel 是不支援非阻塞的。

**這裡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();
```

當然了，我們也可以從 RandomAccessFile#getChannel 來得到 FileChannel。

**讀取檔案內容：**

```
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。

**寫入檔案內容：**

```
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("隨機寫入一些內容到 Buffer 中".getBytes());
// Buffer 切換為讀模式
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()) {
    // 將 Buffer 中的內容寫入檔案
    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。雖然這麼理解有點狹隘，因為我們在介紹 ServerSocketChannel 的時候會看到另一種使用方式。

開啟一個 TCP 連線：

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

當然了，上面的這行程式碼等價於下面的兩行：

```
// 開啟一個通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 發起連線
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80));
```

SocketChannel 的讀寫和 FileChannel 沒什麼區別，就是操作緩衝區。

```
// 讀取資料
socketChannel.read(buffer);

// 寫入資料到網路連線中
while(buffer.hasRemaining()) {
    socketChannel.write(buffer);   
}
```

不要在這裡停留太久，先繼續往下走。

### ServerSocketChannel

之前說 SocketChannel 是 TCP 客戶端，這裡說的 ServerSocketChannel 就是對應的服務端。

ServerSocketChannel 用於監聽機器埠，管理從這個埠進來的 TCP 連線。

```
// 例項化
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 監聽 8080 埠
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));

while (true) {
    // 一旦有一個 TCP 連線進來，就對應建立一個 SocketChannel 進行處理
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}
```

> 這裡我們可以看到 SocketChannel 的第二個例項化方式

到這裡，我們應該能理解 SocketChannel 了，它不僅僅是 TCP 客戶端，它代表的是一個網路通道，可讀可寫。

ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了，因為它並不實際處理資料，它一旦接收到請求後，例項化 SocketChannel，之後在這個連線通道上的資料傳遞它就不管了，因為它需要繼續監聽埠，等待下一個連線。

### DatagramChannel

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

> 科普一下，UDP 是面向無連線的，不需要和對方握手，不需要通知對方，就可以直接將資料包投出去，至於能不能送達，它是不知道的

**監聽埠：**

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

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

channel.receive(buf);
```

**傳送資料：**

```
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 三大元件就剩 Selector 了，Selector 建立在非阻塞的基礎之上，大家經常聽到的 **多路複用** 在 Java 世界中指的就是它，用於實現一個執行緒管理多個 Channel。

讀者在這一節不能消化 Selector 也沒關係，因為後續在介紹非阻塞 IO 的時候還得說到這個，這裡先介紹一些基本的介面操作。

1.  首先，我們開啟一個 Selector。你們愛翻譯成**選擇器**也好，**多路複用器**也好。

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

2.  將 Channel 註冊到 Selector 上。前面我們說了，Selector 建立在非阻塞模式之上，所以註冊到 Selector 的 Channel 必須要支援非阻塞模式，**FileChannel 不支援非阻塞**，我們這裡討論最常見的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。

```
    // 將通道設定為非阻塞模式，因為預設都是阻塞模式的
    channel.configureBlocking(false);
    // 註冊
    SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    ```

register 方法的第二個 int 型引數（使用二進位制的標記位）用於表明需要監聽哪些感興趣的事件，共以下四種事件：

*   SelectionKey.OP_READ

> 對應 00000001，通道中有資料可以進行讀取

*   SelectionKey.OP_WRITE

> 對應 00000100，可以往通道中寫入資料

*   SelectionKey.OP_CONNECT

> 對應 00001000，成功建立 TCP 連線

*   SelectionKey.OP_ACCEPT

> 對應 00010000，接受 TCP 連線

我們可以同時監聽一個 Channel 中的發生的多個事件，比如我們要監聽 ACCEPT 和 READ 事件，那麼指定引數為二進位制的 000**1**000**1** 即十進位制數值 17 即可。

註冊方法返回值是 **SelectionKey** 例項，它包含了 Channel 和 Selector 資訊，也包括了一個叫做 Interest Set 的資訊，即我們設定的我們感興趣的正在監聽的事件集合。

3.  呼叫 select() 方法獲取通道資訊。用於判斷是否有我們感興趣的事件已經發生了。

Selector 的操作就是以上 3 步，這裡來一個簡單的示例，大家看一下就好了。之後在介紹非阻塞 IO 的時候，會演示一份可執行的示例程式碼。

```
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();
  }
}
```

對於 Selector，我們還需要非常熟悉以下幾個方法：

1.  **select()**

呼叫此方法，會將**上次 select 之後的**準備好的 channel 對應的 SelectionKey 複製到 selected set 中。如果沒有任何通道準備好，這個方法會阻塞，直到至少有一個通道準備好。

2.  **selectNow()**

功能和 select 一樣，區別在於如果沒有準備好的通道，那麼此方法會立即返回 0。

3.  **select(long timeout)**

看了前面兩個，這個應該很好理解了，如果沒有通道準備好，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) 上的執行緒的。如果 wakeup() 先被呼叫，此時沒有執行緒在 select 上阻塞，那麼之後的一個 select() 或 select(timeout) 會立即返回，而不會阻塞，當然，它只會作用一次。

## 小結

到此為止，介紹了 Buffer、Channel 和 Selector 的常見介面。

Buffer 和陣列差不多，它有 position、limit、capacity 幾個重要屬性。put() 一下資料、flip() 切換到讀模式、然後用 get() 獲取資料、clear() 一下清空資料、重新回到 put() 寫入資料。

Channel 基本上只和 Buffer 打交道，最重要的介面就是 channel.read(buffer) 和 channel.write(buffer)。

Selector 用於實現非阻塞 IO，這裡僅僅介紹介面使用，後續請關注非阻塞 IO 的介紹。

（全文完）</selectionkey></selectionkey>

Java網路程式設計與NIO詳解4：淺析NIO包中的Buffer、Channel 和 Selector

相關文章