前言： 之前的文章《Java文件IO常用歸納》主要寫了Java 標(biāo)準(zhǔn)IO要注意的細(xì)節(jié)和技巧，由于網(wǎng)上各種學(xué)習(xí)途徑，所以并沒有詳細(xì)示例等。本文主要簡單看看java的NIO庫的用法，并做個小歸納，可以對比標(biāo)準(zhǔn)IO參考一下。
NIO概述
（一）背景
NIO（New IO），在Java 1.4引入的一個新的IO API。【可替代標(biāo)準(zhǔn)IO API】
（二）工作方式
- Channels and Buffers（通道和緩沖區(qū)）：標(biāo)準(zhǔn)的IO基于字節(jié)流和字符流進(jìn)行操作的，而NIO是基于通道（Channel）和緩沖區(qū)（Buffer）進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)總是從通道讀取到緩沖區(qū)中，或者從緩沖區(qū)寫入到通道中。
- Asynchronous IO（異步IO）：Java NIO可以讓你異步的使用IO，例如：當(dāng)線程從通道讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)時，線程還是可以進(jìn)行其他事情。當(dāng)數(shù)據(jù)被寫入到緩沖區(qū)時，線程可以繼續(xù)處理它。從緩沖區(qū)寫入通道也類似。
- Selectors（選擇器）：Java NIO引入了選擇器的概念，選擇器用于監(jiān)聽多個通道的事件（比如：連接打開，數(shù)據(jù)到達(dá)）。因此，單個的線程可以監(jiān)聽多個數(shù)據(jù)通道
NIO 與 標(biāo)準(zhǔn)IO 的區(qū)別
- IO面向Stream（流），NIO面向Buffer（緩存）
- 面向Stream：每次從流中讀取一個或多個字節(jié)，直到讀取所有字節(jié)，并沒有緩存字節(jié)的地方。不能前后移動流中的數(shù)據(jù)（因?yàn)槿绻昂笠苿訌牧髦凶x取的數(shù)據(jù)，就需先將其緩存到一個緩存區(qū)中）。
- 面向Buffer【更靈活】：數(shù)據(jù)讀取到一個稍后處理的緩沖區(qū)，需要時即可在緩沖區(qū)中前后移動（注意：移動前首先需要檢查是否該緩沖區(qū)中包含你需要處理的數(shù)據(jù)）。需要確保當(dāng)更多數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)時，不會覆蓋掉區(qū)中原有的尚未處理的數(shù)據(jù)。
- IO流都是阻塞的，而NIO有非阻塞模式
- IO的流：當(dāng)一個線程
threadA使用IO調(diào)用read()/write()操作時，threadA被阻塞，直到一些數(shù)據(jù)被讀取或?qū)懭胪瓿桑诉^程中threadA不能做任何事。 - NIO的非阻塞模式：
- 【非阻塞讀】線程
threadA從某channel發(fā)送請求讀取數(shù)據(jù)時，threadA僅能得到目前可用的數(shù)據(jù)，若目前沒有可用數(shù)據(jù)，那么threadA不會獲取任何數(shù)據(jù)并可以先做別的事情，而不是保持阻塞，直到有可用數(shù)據(jù)在這個通道出現(xiàn)。 - 【非阻塞寫】一個線程請求寫入一些數(shù)據(jù)到某通道，但不需要等待它完全寫入，這個線程同時可以去做別的事情。
- 【應(yīng)用】線程通常將非阻塞IO的空閑時間用于在其它通道上執(zhí)行IO操作，所以一個單獨(dú)的線程現(xiàn)在可以管理多個輸入和輸出channels。
- 【非阻塞讀】線程
- NIO獨(dú)有選擇器（Selector）
常用API總結(jié)
（一）核心接口與類關(guān)系圖解與分析
IO與NIO 接口與類關(guān)系圖.png
- 首先，圖中有顏色背景的，是NIO中最重要的幾個概念：Selector選擇器、Channel通道、Buffer緩沖區(qū)、Pipe管道，他們幾個的良好分工合作，才有了NIO。
- 這四者之間的關(guān)系：
- Channel就是管理文件/數(shù)據(jù)傳輸出入口的地方【水龍頭 / 百姓家】。文件數(shù)據(jù)/客戶端數(shù)據(jù)/服務(wù)端數(shù)據(jù)【水】 在需要開始傳遞時【水要從水管出來】，就先通過Channel【水龍頭打開】；
- Buffer用于暫存從Channel傳來的數(shù)據(jù)【水廠】，從而提供外部選擇和調(diào)整數(shù)據(jù)集合的能力【管理桶裝水】。當(dāng)數(shù)據(jù)量大于Buffer的最大裝載量時，Buffer中原有的數(shù)據(jù)將被覆蓋。Channel的實(shí)現(xiàn)類通過
read(Buffer)等方法將數(shù)據(jù)保存到Buffer中，又通過write(Buffer)將Buffer中存儲的數(shù)據(jù)寫入到通道中【桶裝水最終會按需派送到各個百姓家中】。 - Selector 用于控制和管理一或多個Channel的數(shù)據(jù)流動【桶裝水管理搬運(yùn)工，負(fù)責(zé)自己管理的若干水龍頭，哪里有山泉水要出了，就關(guān)好別的水龍頭，拿水桶去裝水并打上備注即立刻回去管理水龍頭，待會桶裝水會被同事送到水廠】。
- Pipe 用于在兩個線程之間傳輸數(shù)據(jù)。其內(nèi)部依賴著兩個Channel對象，分別用于數(shù)據(jù)的收和發(fā)。
- Channel的相關(guān)實(shí)現(xiàn)類：FileChannel、SocketChannel與ServerSocketChannel、DatagramChannel，分別對應(yīng)：“文件操作通道”、“TCP通信操作通道”、“UDP通信操作通道”。這幾個實(shí)現(xiàn)類中，除了FileChannel不能進(jìn)入非阻塞狀態(tài)，其他實(shí)現(xiàn)類都可以進(jìn)入非阻塞狀態(tài)。
- 所謂 阻塞狀態(tài)（BIO）和非阻塞狀態(tài)（NBIO），上述已說。
- 圖中的“分散”和“聚集”，分別指：
- 分散（scatter）：【讀】從channel中讀取數(shù)據(jù)到buffer時，一個channel可以將數(shù)據(jù)緩存到多個buffer中。（
read(Buffer[]);：開始存儲數(shù)據(jù)到第一個buffer中，當(dāng)一個buffer被寫滿后，channel緊接著向下一個buffer中寫（按照緩沖區(qū)數(shù)組的排列順序）） - 聚合（gather）：【寫】將buffer中的數(shù)據(jù)寫入到channel中時，可以連續(xù)將多個buffer中的數(shù)據(jù)依次寫入。
- 分散（scatter）：【讀】從channel中讀取數(shù)據(jù)到buffer時，一個channel可以將數(shù)據(jù)緩存到多個buffer中。（
- Buffer的相關(guān)實(shí)現(xiàn)類：
- 各種基本數(shù)據(jù)類型的Buffer，如：ByteBuffer、IntBuffer、ShortBuffer、LongBuffer、DoubleBuffer等，對應(yīng)初始化時設(shè)定的capacity（緩沖區(qū)大小）即：最多同時緩存XX個byte、int、short、long、double數(shù)據(jù)。
- MappedByteBuffer：表示內(nèi)存映射文件
- Channel的原理：打開文件并構(gòu)建符合NIO讀寫規(guī)則的通信橋梁口，對于網(wǎng)絡(luò)TCP和UDP連接則是構(gòu)建一個連接到特定IP特定端口的橋梁，并準(zhǔn)備數(shù)據(jù)發(fā)送與數(shù)據(jù)接收。Channel與Stream（流）不同的是，Stream是單向傳遞數(shù)據(jù)的，而Channel是可讀取并可寫入的，具有雙向性，并且更容易配合緩沖區(qū)來靈活獲取數(shù)據(jù)。
- Buffer的原理：Buffer 實(shí)際上是指向一個占N個單位的內(nèi)存空間的對象，它本身就代表了一塊內(nèi)存區(qū)域。Buffer有兩個模式：讀模式和寫模式（初始模式），通過
silp()方法可以切換狀態(tài)。而Buffer內(nèi)部有三個成員屬性用于共同維護(hù)這塊內(nèi)存區(qū)域，他們分別是：capacity【buffer總大小】、position【寫模式：下一個可插入數(shù)據(jù)的位置，初始為0，最大是cap-1；讀模式：下一個可讀取數(shù)據(jù)的位置，初始為0，最大cap-1】、limit【讀模式：最多可寫入limit=cap個數(shù)據(jù)；寫模式：可讀取第limit=position（之前寫入）的所有數(shù)據(jù)】。
（二）常用API清單
-
Channel通用方法：
-
read(Buffer):int將數(shù)據(jù)從channel讀取到buffer中【讀channel，寫buffer】 -
read(Buffer[]):int將數(shù)據(jù)從channel讀取到buffer數(shù)組中 -
write(Buffer):int將數(shù)據(jù)從buffer寫入到channel中【讀buffer，寫channel】 -
write(Buffer[]):int將數(shù)據(jù)從buffer數(shù)組寫入到channel中
-
-
Buffer子類（以下以ByteBuffer為例子）通用方法：
- 構(gòu)造方法
ByteBuffer(N:int)設(shè)定緩沖區(qū)大小為N個byte大小的空間 -
get():byte[]：讀取buffer中的所有數(shù)據(jù) -
put(byte[]):void：數(shù)據(jù)寫入buffer【功能和從channel中讀取數(shù)據(jù)到buffer中一樣】 -
filp():void：切換模式（寫模式->讀模式） -
rewind():void：重讀buffer中的數(shù)據(jù)（position重置為0） -
clear():void：清空。重置所有指針，不刪除數(shù)據(jù)！！（position=0，limit=capacity，重新供寫入） -
compact():void：半清空，保留仍未讀取的數(shù)據(jù)。（position=最后一個未讀單元之后的位置，limit=cap，重新供寫入） -
mark()：標(biāo)記時刻A的當(dāng)前pos【與reset()一起用】 -
reset()：回到時刻A時標(biāo)記的pos位置。 -
close()：關(guān)閉并釋放channel對象。
- 構(gòu)造方法
-
FileChannel
- 獲取FileChannel對象：
RandomAccessFile accessFile = new RandomAccessFile(fileName, "rw"); FileChannel fileChannel = accessFile.getChannel();
- 獲取FileChannel對象：
-
SocketChannel
- 創(chuàng)建SocketChannel對象：
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
- 創(chuàng)建SocketChannel對象：
-
設(shè)置非阻塞IO狀態(tài)：
sc.configureBlocking(false); -
開始打開連接
sc.connect(new InetSocketAddress("http://jianshu.com", 80)); -
非阻塞狀態(tài)下，成功連接前，干別的事
sc.configureBlocking(false); ///............... while(!sc.finishConnect()){ ////do other sth.... } -
保證非阻塞IO狀態(tài)下，read()過程不會read 空數(shù)據(jù)
sc.configureBlocking(false);
///...............while((int len = sc.read(buf))==0){ ////do other sth.... } -
保證非阻塞IO狀態(tài)下，write()過程不會write空數(shù)據(jù)
sc.configureBlocking(false);
///...............while((int len = sc.write(buf))==0){ ////do other sth.... } ServerSocketChannel、DatagramChannel、Selector和Pipe的寫法與方法說明，由于篇幅原因，可以參考下文的示例。
（三）文件IO --- FileChannel
- 讀文件
public static byte[] readBytes(String fileName) {
try {
///獲取對應(yīng)文件的FileChannel對象
RandomAccessFile accessFile = new RandomAccessFile(fileName, "rw");
FileChannel fileChannel = accessFile.getChannel();
/// 創(chuàng)建一個緩沖區(qū)（大小為48byte）
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(48);
StringBuilder builder = new StringBuilder();
int bytesRead = fileChannel.read(byteBuffer);
while (bytesRead != -1) {
System.out.println("Read " + bytesRead);
///翻轉(zhuǎn)buffer
byteBuffer.flip();
///每次讀取完之后，輸出緩存中的內(nèi)容
while (byteBuffer.hasRemaining()) {
System.out.println((char) byteBuffer.get());
builder.append((char) byteBuffer.get());
}
///然后清空緩存區(qū)
byteBuffer.clear();
///重新再讀數(shù)據(jù)到緩存區(qū)中
bytesRead = fileChannel.read(byteBuffer);
}
accessFile.close();
return builder.toString().getBytes();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
return null;
}
}
- 寫入文件
public static void writeBytes(String fileName, byte[] data) {
try {
RandomAccessFile accessFile = new RandomAccessFile(fileName, "rw");
FileChannel channel = accessFile.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
buffer.put(data);
channel.write(buffer);
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
- 通道間內(nèi)容傳輸
/**
* channel 間的傳輸
*
* @param sFileName 源文件
* @param dFileName 目標(biāo)文件
*/
public static void channelToChannel(String sFileName, String dFileName) {
try {
RandomAccessFile sAccess = new RandomAccessFile(sFileName, "rw");
RandomAccessFile dAccess = new RandomAccessFile(dFileName, "rw");
FileChannel sChannel = sAccess.getChannel();
FileChannel dChannel = dAccess.getChannel();
long pos = 0;
long sCount = sChannel.size();
long dCount = dChannel.size();
// dChannel.transferFrom(sChannel,pos,sCount);//dChannel 必須是FileChannel
sChannel.transferTo(pos, dCount, dChannel);///sChannel 是FileChannel
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
（四）TCP通信 --- SocketChannel
- 基本的C/S TCP通信
- Client客戶端寫法：
/**
* Client SocketChannel 寫法：
*/
public static void client(String fileName) {
SocketChannel sc = null;
try {
// 創(chuàng)建一個SocketChannel 通道
////TODO: FileChannel無法設(shè)置為非阻塞模式，它總是運(yùn)行在阻塞模式下
sc = SocketChannel.open();
///TODO:非阻塞IO狀態(tài)下，socketChannel就可以異步地執(zhí)行read()、write()、connect()方法了
sc.configureBlocking(false);
sc.connect(new InetSocketAddress("http://jianshu.com", 80));
while (!sc.finishConnect()) {///保證在connect成功之前，可以做別的事情
//做點(diǎn)別的事。。。。。
}
while((int len = sc.read(xxx))==0){ ///保證NBIO下，read數(shù)據(jù)不會read空
// 做別的事。。。
}
while((int len = sc.write(xxx))==0){///保證NBIO下，write數(shù)據(jù)不會write空
// 做別的事。。。
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
if (sc != null) {
sc.close();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
```
- Server服務(wù)端寫法：
/**
* 關(guān)于：ServerSocketChannel
*/
public static void serverSocketChannel() {
ServerSocketChannel serverSocketChannel = null;
try {
///打開
serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
///連接并開始監(jiān)聽TCP 9999端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
///TODO：可設(shè)置非阻塞狀態(tài)（需要檢查accept到的socketChannel是否為null）
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
while (true) {
SocketChannel socketChannel =
serverSocketChannel.accept();
//TODO: 非阻塞時需要考慮返回的socketChannel對象是否為null
if(socketChannel != null){
//do something with socketChannel...
}
//do something with socketChannel...
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (serverSocketChannel != null)
try {
serverSocketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
```
- 配合Selector，簡化SocketChannel在非阻塞IO狀態(tài)下的Null情況監(jiān)測邏輯
/**
* 關(guān)于 選擇器 和 SocketChannel 的配合使用
*/
public static void selectorAndSocketChannel(String fileName) {
SocketChannel sc1 = null;
SocketChannel sc2 = null;
SocketChannel sc3 = null;
try {
// 創(chuàng)建幾個SocketChannel 通道
////TODO: FileChannel無法設(shè)置為非阻塞模式，它總是運(yùn)行在阻塞模式下
sc1 = SocketChannel.open();
sc2 = SocketChannel.open();
sc3 = SocketChannel.open();
///TODO:非阻塞IO狀態(tài)下，socketChannel就可以異步地執(zhí)行read()、write()、connect()方法了
sc1.configureBlocking(false);
sc2.configureBlocking(false);
sc3.configureBlocking(false);
sc1.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));
sc2.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));
sc3.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));
// 創(chuàng)建Selector
Selector selector = Selector.open();
// 注冊channels
SelectionKey key1 = sc1.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
SelectionKey key2 = sc2.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
SelectionKey key3 = sc3.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
// 持續(xù)監(jiān)控selector的四個事件(接受、連接、讀、寫)是否就緒
while (true) {
int readyChannels = selector.select();
if (readyChannels == 0) continue;
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = (SelectionKey) keyIterator.next();
if (key.isAcceptable()) {
// a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
///我的這個連接請求被服務(wù)端接受了
} else if (key.isConnectable()) {
// a connection was established with a remote server.
///已經(jīng)連接上
} else if (key.isReadable()) {
// a channel is ready for reading
///可讀數(shù)據(jù)
} else if (key.isWritable()) {
// a channel is ready for writing
///可寫數(shù)據(jù)
}
}
keyIterator.remove();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
if (sc1 != null) {
sc1.close();
}
if (sc2 != null) {
sc2.close();
}
if (sc3 != null) {
sc3.close();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
（五）UDP通信 --- DatagramChannel
- 收發(fā)UDP數(shù)據(jù)包 的簡單示例
/**
* 關(guān)于：DatagramChannel
* UDP 無連接網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
* 發(fā)送和接收的是數(shù)據(jù)包
*/
public static void datagramChannel() {
DatagramChannel datagramChannel = null;
try {
///打開
datagramChannel = DatagramChannel.open();
///連接并開始監(jiān)聽UDP 9999端口
datagramChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
// 接收數(shù)據(jù)包（receive()方法會將接收到的數(shù)據(jù)包內(nèi)容復(fù)制到指定的Buffer. 如果Buffer容不下收到的數(shù)據(jù)，多出的數(shù)據(jù)將被丟棄。 ）
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
datagramChannel.receive(buf);
// 發(fā)送數(shù)據(jù) send()
String sendMsg = "要發(fā)送的數(shù)據(jù)";
ByteBuffer sendBuf = ByteBuffer.allocate(48);
sendBuf.clear();
sendBuf.put(sendMsg.getBytes());
sendBuf.flip();
datagramChannel.send(sendBuf,new InetSocketAddress("xxxxx",80));
// TODO: 連接到特定的地址(鎖住DatagramChannel ，讓其只能從特定地址收發(fā)數(shù)據(jù) 因?yàn)閁DP無連接，本身沒有真正的連接產(chǎn)出)
datagramChannel.connect(new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));
///連接后，也可以使用Channal 的read()和write()方法，就像在用傳統(tǒng)的通道一樣。只是在數(shù)據(jù)傳送方面沒有任何保證
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (datagramChannel != null)
try {
datagramChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
（六）NIO管道（Pipe）
首先，什么是NIO管道，下圖可以看出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)：
- NIO Pipe，是兩個線程之間的單向連接通道（讀下圖可知）
- Pipe類內(nèi)部有兩個成員屬性，分別是：
- Pipe.SinkChannel：數(shù)據(jù)入口通道
- Pipe.SourceChannel：數(shù)據(jù)出口通道
-
整體原理：ThreadA中獲取的數(shù)據(jù)通過SinkChannel傳入（寫入）管道，當(dāng)ThreadB要讀取ThreadA的數(shù)據(jù)，則通過管道的SourceChannel傳出（讀取）數(shù)據(jù)。
NIO Pipe原理圖解
- 示例: 管道傳輸數(shù)據(jù)
/**
* 關(guān)于NIO管道（Pipe）
* 定義：2個線程之間的單向數(shù)據(jù)連接
*/
public static void aboutPipe(){
Pipe pipe=null;
try {
/// 打開管道
pipe = Pipe.open();
///TODO: 一、 向管道寫入數(shù)據(jù)
/// 訪問Pipe.sinkChannel，向Pipe寫入數(shù)據(jù)
/// 首先，獲取Pipe.sinkChannel
Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();
/// 然后，調(diào)用write()，開始寫入數(shù)據(jù)
String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();
while(buf.hasRemaining()){
sinkChannel.write(buf);
}
// TODO: 二、讀取管道中的數(shù)據(jù)
// 首先，獲取Pipe.sourceChannel
Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();
/// 讀取數(shù)據(jù)到buffer
ByteBuffer buf2 = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = sourceChannel.read(buf2);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
附錄：java.nio包相關(guān)接口與類圖一覽
Buffer類圖
java.nio.channels 相關(guān)接口關(guān)系圖
java.nio.channels 相關(guān)類圖
java.nio.charset 相關(guān)類圖（這個包主要做不同編碼格式的加解密等工作）
