快速了解Java中NIO核心组件

背景知识

同步、异步、阻塞、非阻塞

首先，这几个概念非常容易搞混淆，但NIO中又有涉及，所以总结一下。

同步：API调用返回时调用者就知道操作的结果如何了（实际读取/写入了多少字节）。

异步：相对于同步，API调用返回时调用者不知道操作的结果，后面才会回调通知结果。

阻塞：当无数据可读，或者不能写入所有数据时，挂起当前线程等待。

非阻塞：读取时，可以读多少数据就读多少然后返回，写入时，可以写入多少数据就写入多少然后返回。

对于I/O操作，根据Oracle官网的文档，同步异步的划分标准是“调用者是否需要等待I/O操作完成”，这个“等待I/O操作完成”的意思不是指一定要读取到数据或者说写入所有数据，而是指真正进行I/O操作时，比如数据在TCP/IP协议栈缓冲区和JVM缓冲区之间传输的这段时间，调用者是否要等待。

所以，我们常用的read()和write()方法都是同步I/O，同步I/O又分为阻塞和非阻塞两种模式，如果是非阻塞模式，检测到无数据可读时，直接就返回了，并没有真正执行I/O操作。

总结就是，Java中实际上只有同步阻塞I/O、同步非阻塞I/O与异步I/O三种机制，我们下文所说的是前两种，JDK1.7才开始引入异步I/O，那称之为NIO.2。

传统IO

我们知道，一个新技术的出现总是伴随着改进和提升，JavaNIO的出现亦如此。

传统I/O是阻塞式I/O，主要问题是系统资源的浪费。比如我们为了读取一个TCP连接的数据，调用InputStream的read()方法，这会使当前线程被挂起，直到有数据到达才被唤醒，那该线程在数据到达这段时间内，占用着内存资源（存储线程栈）却无所作为，也就是俗话说的占着茅坑不拉屎，为了读取其他连接的数据，我们不得不启动另外的线程。在并发连接数量不多的时候，这可能没什么问题，然而当连接数量达到一定规模，内存资源会被大量线程消耗殆尽。另一方面，线程切换需要更改处理器的状态，比如程序计数器、寄存器的值，因此非常频繁的在大量线程之间切换，同样是一种资源浪费。

随着技术的发展，现代操作系统提供了新的I/O机制，可以避免这种资源浪费。基于此，诞生了JavaNIO，NIO的代表性特征就是非阻塞I/O。紧接着我们发现，简单的使用非阻塞I/O并不能解决问题，因为在非阻塞模式下，read()方法在没有读取到数据时就会立即返回，不知道数据何时到达的我们，只能不停的调用read()方法进行重试，这显然太浪费CPU资源了，从下文可以知道，Selector组件正是为解决此问题而生。

JavaNIO核心组件

1.Channel

概念

JavaNIO中的所有I/O操作都基于Channel对象，就像流操作都要基于Stream对象一样，因此很有必要先了解Channel是什么。以下内容摘自JDK1.8的文档

Achannelrepresentsanopenconnectiontoanentitysuchasahardwaredevice,afile,anetworksocket,oraprogramcomponentthatiscapableofperformingoneormoredistinctI/Ooperations,forexamplereadingorwriting.

从上述内容可知，一个Channel（通道）代表和某一实体的连接，这个实体可以是文件、网络套接字等。也就是说，通道是JavaNIO提供的一座桥梁，用于我们的程序和操作系统底层I/O服务进行交互。

通道是一种很基本很抽象的描述，和不同的I/O服务交互，执行不同的I/O操作，实现不一样，因此具体的有FileChannel、SocketChannel等。

通道使用起来跟Stream比较像，可以读取数据到Buffer中，也可以把Buffer中的数据写入通道。

当然，也有区别，主要体现在如下两点：

一个通道，既可以读又可以写，而一个Stream是单向的（所以分InputStream和OutputStream）

通道有非阻塞I/O模式

实现

JavaNIO中最常用的通道实现是如下几个，可以看出跟传统的I/O操作类是一一对应的。

FileChannel：读写文件

DatagramChannel:UDP协议网络通信

SocketChannel：TCP协议网络通信

ServerSocketChannel：监听TCP连接

2.Buffer

NIO中所使用的缓冲区不是一个简单的byte数组，而是封装过的Buffer类，通过它提供的API，我们可以灵活的操纵数据，下面细细道来。

与Java基本类型相对应，NIO提供了多种Buffer类型，如ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer等，区别就是读写缓冲区时的单位长度不一样（以对应类型的变量为单位进行读写）。

Buffer中有3个很重要的变量，它们是理解Buffer工作机制的关键，分别是

capacity（总容量）

position（指针当前位置）

limit（读/写边界位置）

Buffer的工作方式跟C语言里的字符数组非常的像，类比一下，capacity就是数组的总长度，position就是我们读/写字符的下标变量，limit就是结束符的位置。Buffer初始时3个变量的情况如下图

在对Buffer进行读/写的过程中，position会往后移动，而limit就是position移动的边界。由此不难想象，在对Buffer进行写入操作时，limit应当设置为capacity的大小，而对Buffer进行读取操作时，limit应当设置为数据的实际结束位置。（注意：将Buffer数据写入通道是Buffer读取操作，从通道读取数据到Buffer是Buffer写入操作）

在对Buffer进行读/写操作前，我们可以调用Buffer类提供的一些辅助方法来正确设置position和limit的值，主要有如下几个

flip():设置limit为position的值，然后position置为0。对Buffer进行读取操作前调用。

rewind():仅仅将position置0。一般是在重新读取Buffer数据前调用，比如要读取同一个Buffer的数据写入多个通道时会用到。

clear():回到初始状态，即limit等于capacity，position置0。重新对Buffer进行写入操作前调用。

compact():将未读取完的数据（position与limit之间的数据）移动到缓冲区开头，并将position设置为这段数据末尾的下一个位置。其实就等价于重新向缓冲区中写入了这么一段数据。

然后，看一个实例，使用FileChannel读写文本文件，通过这个例子验证通道可读可写的特性以及Buffer的基本用法（注意FileChannel不能设置为非阻塞模式）。

FileChannel channel = new RandomAccessFile("test.txt", "rw").getChannel();channel.position(channel.size());// 移动文件指针到末尾（追加写入）ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(20);// 数据写入BufferbyteBuffer.put("你好，世界！\n".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));// Buffer -> ChannelbyteBuffer.flip();while (byteBuffer.hasRemaining()) {channel.write(byteBuffer);}channel.position(0);// 移动文件指针到开头（从头读取）CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(10);CharsetDecoder decoder = StandardCharsets.UTF_8.newDecoder();// 读出所有数据byteBuffer.clear();while (channel.read(byteBuffer) != -1 || byteBuffer.position() > 0) {byteBuffer.flip();// 使用UTF-8解码器解码charBuffer.clear();decoder.decode(byteBuffer, charBuffer, false);System.out.print(charBuffer.flip().toString());byteBuffer.compact();// 数据可能有剩余}channel.close();