Java NIO 总结与思考

Java NIO 和 Java IO 比较

面向流和面向缓冲

• Java IO是面向字节流的，而Java NIO是面向缓冲区的

• Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。

• Java NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

阻塞与非阻塞IO

• Java IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。

• Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

缓冲区 Buffer

基本概念

• 用户空间是常规进程所在区域，JVM是常规进程，驻守于用户空间。
• 内核空间是指操作系统所在权利，能与设备控制器进行通信。
• 输入数据时会进行内核区域，再拷贝到JVM；输出时也会先由JVM拷贝到内核区域，再输出到终端。

缓冲区是一块不大的内存区域，可以反复使用，利用它可以在IO过程一次交互一批信息，而不是1个字节。

缓冲区模型

• capacity 容量

作为一个内存块，Buffer有一个固定的大小值，也叫“capacity”.你只能往里写capacity个byte、long，char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清除数据）才能继续写数据往里写数据。

• 当前位置 position

当你写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。初始的position值为0.当一个byte、long等数据写到Buffer后， position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity – 1. 当读取数据时，也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0. 当从Buffer的position处读取数据时，position向前移动到下一个可读的位置。

• limit

在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。 写模式下，limit等于Buffer的capacity。 当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据。因此，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值。换句话说，你能读到之前写入的所有数据（limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position）

写模式切换到读模式

• flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式

• 调用flip()方法会将position设回0，并将limit设置成之前position的值。

读模式切换到写模式

• 一旦读完Buffer中的数据，需要让Buffer准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成

• clear()方法将 position将被设回0，limit被设置成 capacity的值。（Buffer中的数据并未清除）

• compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。即将position设到最后一个未读元素正后面，limit被设置成capacity

位置标记和复位

• 通过调用Buffer.mark()方法，可以标记Buffer中的一个特定position。

• 通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。

缓冲区比较

当满足下列条件时，表示两个Buffer相等（equals）：

• 有相同的类型（byte、char、int等）。
• Buffer中剩余的byte、char等的个数相等。
• Buffer中所有剩余的byte、char等都相同。

如你所见，equals只是比较Buffer的一部分，不是每一个在它里面的元素都比较。实际上，它只比较Buffer中的剩余元素。

compareTo()方法比较两个Buffer的剩余元素(byte、char等)， 如果满足下列条件，则认为一个Buffer“小于”另一个Buffer：

• 第一个不相等的元素小于另一个Buffer中对应的元素 。
• 所有元素都相等，但第一个Buffer比另一个先耗尽(第一个Buffer的元素个数比另一个少)。

通道 Channel

基本概念

Java NIO的通道类似流，但又有些不同：

• 既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道。但流的读写通常是单向的。
• 通道可以异步地读写。
• 通道中的数据总是要先读到一个Buffer，或者总是要从一个Buffer中写入。

通道的实现

• FileChannel 从文件中读写数据。

• DatagramChannel 能通过UDP读写网络中的数据。

• SocketChannel 能通过TCP读写网络中的数据。

• ServerSocketChannel可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。

通道之间的数据传输

在Java NIO中，如果两个通道中有一个是FileChannel，那你可以直接将数据从一个channel传输到另外一个channel。

FileChannel的transferFrom()方法可以将数据从源通道传输到FileChannel中。

分散与聚集(用户空间多个缓冲区)

• 分散（scatter）从Channel中读取是指在读操作时将读取的数据写入多个buffer中。因此，从Channel中读取的数据“分散（scatter）”到多个Buffer中。
• 聚集（gather）写入Channel是指在写操作时将多个buffer的数据写入同一个Channel，因此，Channel 将多个Buffer中的数据“聚集（gather）”后发送到Channel。

scatter / gather经常用于需要将传输的数据分开处理的场合，例如传输一个由消息头和消息体组成的消息，你可能会将消息体和消息头分散到不同的buffer中，这样你可以方便的处理消息头和消息体。

Scattering Reads是指数据从一个channel读取到多个buffer中。

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };
channel.read(bufferArray);

注意buffer首先被插入到数组，然后再将数组作为channel.read() 的输入参数。read()方法按照buffer在数组中的顺序将从channel中读取的数据写入到buffer，当一个buffer被写满后，channel紧接着向另一个buffer中写。Scattering Reads在移动下一个buffer前，必须填满当前的buffer，这也意味着它不适用于动态消息。

Gathering Writes是指数据从多个buffer写入到同一个channel。

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };
channel.read(bufferArray);

buffers数组是write()方法的入参，write()方法会按照buffer在数组中的顺序，将数据写入到channel，注意只有position和limit之间的数据才会被写入。因此，如果一个buffer的容量为128byte，但是仅仅包含58byte的数据，那么这58byte的数据将被写入到channel中。因此与Scattering Reads相反，Gathering Writes能较好的处理动态消息。