Java NIO 詳解（一）

一、基本概念描述

1.1 I/O簡介

I/O即輸入輸出，是計算機與外界世界的一個借口。IO操作的實際主題是操作系統。在java編程中，一般使用流的方式來處理IO，所有的IO都被視作是單個字節的移動，通過stream對象一次移動一個字節。流IO負責把對象轉換為字節，然后再轉換為對象。

關於Java IO相關知識請參考我的另一篇文章：Java IO 詳解

1.2 什么是NIO

NIO即New IO，這個庫是在JDK1.4中才引入的。NIO和IO有相同的作用和目的，但實現方式不同，NIO主要用到的是塊，所以NIO的效率要比IO高很多。

在Java API中提供了兩套NIO，一套是針對標准輸入輸出NIO，另一套就是網絡編程NIO，本篇文章重點介紹標NIO，關於網絡編程NIO請見Java NIO詳解（二）。

1.3 流與塊的比較

NIO和IO最大的區別是數據打包和傳輸方式。IO是以流的方式處理數據，而NIO是以塊的方式處理數據。

面向流的IO一次一個字節的處理數據，一個輸入流產生一個字節，一個輸出流就消費一個字節。為流式數據創建過濾器就變得非常容易，鏈接幾個過濾器，以便對數據進行處理非常方便而簡單，但是面向流的IO通常處理的很慢。

面向塊的IO系統以塊的形式處理數據。每一個操作都在一步中產生或消費一個數據塊。按塊要比按流快的多，但面向塊的IO缺少了面向流IO所具有的有雅興和簡單性。

二、NIO基礎

Buffer和Channel是標准NIO中的核心對象（網絡NIO中還有個Selector核心對象，具體請參考Java NIO詳解（二）），幾乎每一個IO操作中都會用到它們。

Channel是對原IO中流的模擬，任何來源和目的數據都必須通過一個Channel對象。一個Buffer實質上是一個容器對象，發給Channel的所有對象都必須先放到Buffer中；同樣的，從Channel中讀取的任何數據都要讀到Buffer中。

2.1 關於Buffer

Buffer是一個對象，它包含一些要寫入或讀出的數據。在NIO中，數據是放入buffer對象的，而在IO中，數據是直接寫入或者讀到Stream對象的。應用程序不能直接對 Channel 進行讀寫操作，而必須通過 Buffer 來進行，即 Channel 是通過 Buffer 來讀寫數據的。

在NIO中，所有的數據都是用Buffer處理的，它是NIO讀寫數據的中轉池。Buffer實質上是一個數組，通常是一個字節數據，但也可以是其他類型的數組。但一個緩沖區不僅僅是一個數組，重要的是它提供了對數據的結構化訪問，而且還可以跟蹤系統的讀寫進程。

使用 Buffer 讀寫數據一般遵循以下四個步驟：

1. 寫入數據到 Buffer；
2. 調用 flip() 方法；
3. 從 Buffer 中讀取數據；
4. 調用 clear() 方法或者 compact() 方法。

當向 Buffer 寫入數據時，Buffer 會記錄下寫了多少數據。一旦要讀取數據，需要通過 flip() 方法將 Buffer 從寫模式切換到讀模式。在讀模式下，可以讀取之前寫入到 Buffer 的所有數據。

一旦讀完了所有的數據，就需要清空緩沖區，讓它可以再次被寫入。有兩種方式能清空緩沖區：調用 clear() 或 compact() 方法。clear() 方法會清空整個緩沖區。compact() 方法只會清除已經讀過的數據。任何未讀的數據都被移到緩沖區的起始處，新寫入的數據將放到緩沖區未讀數據的后面。

Buffer主要有如下幾種：

2.3 關於Channel

Channel是一個對象，可以通過它讀取和寫入數據。可以把它看做IO中的流。但是它和流相比還有一些不同：

1. Channel是雙向的，既可以讀又可以寫，而流是單向的
2. Channel可以進行異步的讀寫
3. 對Channel的讀寫必須通過buffer對象

正如上面提到的，所有數據都通過Buffer對象處理，所以，您永遠不會將字節直接寫入到Channel中，相反，您是將數據寫入到Buffer中；同樣，您也不會從Channel中讀取字節，而是將數據從Channel讀入Buffer，再從Buffer獲取這個字節。

因為Channel是雙向的，所以Channel可以比流更好地反映出底層操作系統的真實情況。特別是在Unix模型中，底層操作系統通常都是雙向的。

在Java NIO中Channel主要有如下幾種類型：

• FileChannel：從文件讀取數據的
• DatagramChannel：讀寫UDP網絡協議數據
• SocketChannel：讀寫TCP網絡協議數據
• ServerSocketChannel：可以監聽TCP連接

三、從理論到實踐：NIO中的讀和寫

IO中的讀和寫，對應的是數據和Stream，NIO中的讀和寫，則對應的就是通道和緩沖區。NIO中從通道中讀取：創建一個緩沖區，然后讓通道讀取數據到緩沖區。NIO寫入數據到通道：創建一個緩沖區，用數據填充它，然后讓通道用這些數據來執行寫入。

3.1 從文件中讀取

我們已經知道，在NIO系統中，任何時候執行一個讀操作，您都是從Channel中讀取，而您不是直接從Channel中讀取數據，因為所有的數據都必須用Buffer來封裝，所以您應該是從Channel讀取數據到Buffer。

因此，如果從文件讀取數據的話，需要如下三步：

1. 從FileInputStream獲取Channel
2. 創建Buffer
3. 從Channel讀取數據到Buffer

下面我們看一下具體過程：
第一步：獲取通道

FileInputStream fin = new FileInputStream( "readandshow.txt" );
FileChannel fc = fin.getChannel();  
123

第二步：創建緩沖區

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );
12

第三步：將數據從通道讀到緩沖區

fc.read( buffer );
12

3.2 寫入數據到文件

類似於從文件讀數據，
第一步：獲取一個通道

FileOutputStream fout = new FileOutputStream( "writesomebytes.txt" );
FileChannel fc = fout.getChannel();
123

第二步：創建緩沖區，將數據放入緩沖區

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

for (int i=0; i<message.length; ++i) {
 buffer.put( message[i] );
}
buffer.flip();
1234567

第三步：把緩沖區數據寫入通道中

fc.write( buffer );
12

3.3 讀寫結合

CopyFile是一個非常好的讀寫結合的例子，我們將通過CopyFile這個實力讓大家體會NIO的操作過程。CopyFile執行三個基本的操作：創建一個Buffer，然后從源文件讀取數據到緩沖區，然后再將緩沖區寫入目標文件。

/**
 * 用java NIO api拷貝文件
 * @param src
 * @param dst
 * @throws IOException
 */
public static void copyFileUseNIO(String src,String dst) throws IOException{
    //聲明源文件和目標文件
            FileInputStream fi=new FileInputStream(new File(src));
            FileOutputStream fo=new FileOutputStream(new File(dst));
            //獲得傳輸通道channel
            FileChannel inChannel=fi.getChannel();
            FileChannel outChannel=fo.getChannel();
            //獲得容器buffer
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
            while(true){
                //判斷是否讀完文件
                int eof =inChannel.read(buffer);
                if(eof==-1){
                    break;  
                }
                //重設一下buffer的position=0，limit=position
                buffer.flip();
                //開始寫
                outChannel.write(buffer);
                //寫完要重置buffer，重設position=0,limit=capacity
                buffer.clear();
            }
            inChannel.close();
            outChannel.close();
            fi.close();
            fo.close();
}     
12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334

四、需要注意的點

上面程序中有三個地方需要注意

4.1 檢查狀態

當沒有更多的數據時，拷貝就算完成，此時 read() 方法會返回 -1 ，我們可以根據這個方法判斷是否讀完。

int r= fcin.read( buffer );
if (r==-1) {
     break;
     }
12345

4.2 Buffer類的flip、clear方法

控制buffer狀態的三個變量

• position：跟蹤已經寫了多少數據或讀了多少數據，它指向的是下一個字節來自哪個位置
• limit：代表還有多少數據可以取出或還有多少空間可以寫入，它的值小於等於capacity。
• capacity：代表緩沖區的最大容量，一般新建一個緩沖區的時候，limit的值和capacity的值默認是相等的。

flip、clear這兩個方法便是用來設置這些值的。

flip方法

我們先看一下flip的源碼：

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

在上面的FileCopy程序中，寫入數據之前我們調用了buffer.flip();方法，這個方法把當前的指針位置position設置成了limit，再將當前指針position指向數據的最開始端，我們現在可以將數據從緩沖區寫入通道了。 position 被設置為 0，這意味着我們得到的下一個字節是第一個字節。 limit 已被設置為原來的 position，這意味着它包括以前讀到的所有字節，並且一個字節也不多。

clear方法

先看一下clear的源碼：

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

在上面的FileCopy程序中，寫入數據之后也就是讀數據之前，我們調用了 buffer.clear();方法，這個方法重設緩沖區以便接收更多的字節。上圖顯示了在調用 clear() 后緩沖區的狀態。

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