Java NIO中核心组成和IO区别

1、Java NIO核心组件

Java NIO中有很多类和组件，包括Channel，Buffer 和 Selector 构成了核心的API。其它组件如Pipe和FileLock是与三个核心组件共同使用的工具类。

Channel 基本上，所有的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 有点象流。数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer 写到Channel中。

JAVA NIO中的一些主要Channel的实现：

FileChannel(从文件中读写数据)

DatagramChannel(通过UDP读写网络中的数据)

SocketChannel(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)

这些通道涵盖了UDP和TCP网络IO，以及文件IO。

使用FileChannel读取数据到Buffer中的示例（注意 buf.flip() 的调用，首先读取数据到Buffer，然后反转Buffer,接着再从Buffer中读取数据）：

private static void nioRead() throws IOException {

		RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("src/nio_01/nio-data.txt", "rw");

		FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

		//create buffer with capacity of 48 bytes

		ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

		int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.

		while (bytesRead != -1) {

		  buf.flip();  //make buffer ready for read

		  while(buf.hasRemaining()){

		      System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time

		  }

		  buf.clear(); //make buffer ready for writing

		  bytesRead = inChannel.read(buf);

		}

		aFile.close();

	}

Buffer 缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

JAVA NIO中的关键的Buffer实现：MappedByteBuffer、ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer等，这些Buffer覆盖了你能通过IO发送的基本数据类型：byte, short, int, long, float, double 和 char。

Buffer的基本用法

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤：
1. 写入数据到Buffer
2. 调用flip()方法
3. 从Buffer中读取数据
4. 调用clear()方法或者compact()方法
当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到buffer的所有数据。一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用clear()或compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。下面是一个使用Buffer的例子：
```
RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");

FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

//create buffer with capacity of 48 bytes

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.

while (bytesRead != -1) {

  buf.flip();  //make buffer ready for read

  while(buf.hasRemaining()){

   System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time

  }

  buf.clear(); //make buffer ready for writing

  bytesRead = inChannel.read(buf);

}

aFile.close();
```
Buffer中的3个重要参数

capacity：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。

position：在写模式下，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。在读模式下，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。在读模式下， 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）。

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式，capacity的含义总是一样的。

Buffer创建

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);	//方式一，从内存申请

byte array[] = new byte[48];

ByteBuffer buf = ByteBuffer.wrap(48);	//方式二，包装数组

Buffer重置和清空

	rewind()	clear()	flip()
position	置零	置零	置零
mark	清空	清空	清空
limit	未改动	设置为capacity	设置为position
作用	为读取Buffer中有效数据做准备	为重新写入Buffer做准备	在读写时切换

以上3个函数都重置了Buffer对象，但只是重置了它的各项标志位，并不是真正清空了Buffer对象的内容。

当调用clear()方法后，position将被设回0，limit被设置成 capacity的值。换句话说，Buffer 被清空了。Buffer中的数据并未清除，只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。如果Buffer中有一些未读的数据，调用clear()方法，数据将“被遗忘”，数据将丢失。

如果Buffer中仍有未读的数据，且后续还需要这些数据，但是此时想要先先写些数据，那么使用compact()方法。

compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样，设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了，但是不会覆盖未读的数据。

Buffer读写
1. 从Buffer中读取数据
从Buffer中读取数据有两种方式：从Buffer读取数据到Channel; 使用get()方法从Buffer中读取数据。
```
//方式一： 从Buffer读取数据到Channel

int bytesWritten = inChannel.write(buf);

//方式二： 使用get()方法从Buffer中读取数据的例子

byte aByte = buf.get();
```
get方法有很多版本，允许你以不同的方式从Buffer中读取数据。例如，从指定position读取，或者从Buffer中读取数据到字节数组。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。
1. 向Buffer中写数据
写数据到Buffer有两种方式：从Channel写到Buffer; 通过Buffer的put()方法写到Buffer里。
```
//方式一：从Channel写到Buffer

int bytesRead = inChannel.read(buf);

//方式二：通过put方法写Buffer

buf.put(127);
```
Buffer标志

标志缓冲区是一项在数据处理时很有用的功能，可随时记录当前位置。通过调用Buffer.mark()方法，可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。
```
buffer.mark();	//call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.

buffer.reset();	//set position back to mark.
```
Buffer复制、只读分区和子分区

Buffer中duplicate()方法使用后会生成一个完全一样的新缓冲区。这个新缓存区的好处是：和原缓冲区共享相同内存，并且任意一方的改动都是相互可见的，但两者维护了各自的position、limit和mark。这大大提高了编程的灵活性，为多方同时处理数据提供了可能。

Buffer中asReadOnlyBuffer()方法使用后会得到一个与当前缓冲区一致的，并且共享相同内存的只读缓存区。只读缓存区对数据安全很有用。当缓存区作为参数传递给对象的某个方法时，由于无法确认该方法是否会破坏缓冲区数据，此时，使用只读缓冲区可以保证数据不被修改。而且原始缓冲区的变动对只读缓冲区是可见的。

Buffer中slice()方法使用后，将在现有的缓冲区中创建新的子缓冲区，子缓冲区和父缓冲区共享内存数据。这个方法有助于将系统模块化。当想要处理Buffer某个子分区的片段时，可以使用slice（）方法取得一个子缓冲区，让后就像处理普通分区一样处理这个片段，而无需考虑缓冲区的边界问题。
Buffer处理结构化数据

Java NIO开始支持scatter/gather，scatter/gather用于描述从Channel（译者注：Channel在中文经常翻译为通道）中读取或者写入到Channel的操作。

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，Channel将从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。如下图描述：
```
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(译者注：消息大小不固定)。换句话说，如果存在消息头和消息体，消息头必须完成填充（例如 128byte），Scattering Reads才能正常工作。

Gathering Writes是指数据从多个buffer写入到同一个channel。如下图描述：
```
ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);

ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);

//write data into buffers

ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };

channel.write(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。
Buffer文件映射到内存

MappedByteBuffer 将文件直接映射到内存（这里的内存指的是虚拟内存，并不是物理内存）。通常，可以映射整个文件，如果文件比较大的话可以分段进行映射，只要指定文件的那个部分就可以。

三种方式：FileChannel提供了map方法来把文件影射为内存映像文件： MappedByteBuffer map(int mode,long position,long size); 可以把文件的从position开始的size大小的区域映射为内存映像文件，mode指出了可访问该内存映像文件的方式：READ_ONLY,READ_WRITE,PRIVATE。
1. READ_ONLY,（只读）：试图修改得到的缓冲区将导致抛出 ReadOnlyBufferException.(MapMode.READ_ONLY)。
2. READ_WRITE（读/写）：对得到的缓冲区的更改最终将传播到文件；该更改对映射到同一文件的其他程序不一定是可见的。 (MapMode.READ_WRITE)。
3. PRIVATE（专用）：对得到的缓冲区的更改不会传播到文件，并且该更改对映射到同一文件的其他程序也不是可见的；相反，会创建缓冲区已修改部分的专用副本。 (MapMode.PRIVATE)。
三个方法：
1. fore() 缓冲区是READ_WRITE模式下，此方法对缓冲区内容的修改强行写入文件
2. load() 将缓冲区的内容载入内存，并返回该缓冲区的引用
3. isLoaded() 如果缓冲区的内容在物理内存中，则返回真，否则返回假。
三个特性：调用信道的map()方法后，即可将文件的某一部分或全部映射到内存中，映射内存缓冲区是个直接缓冲区，继承自ByteBuffer,但相对于ByteBuffer,它有更多的优点：读取快、写入快、随时随地写入。

Buffer的比较

可以使用equals()和compareTo()方法比较两个Buffer。

equals()方法当满足下列条件时，表示两个Buffer相等：

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)。

Selector Selector允许单线程处理多个Channel。如果你的应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便(需要再次分析学习)。例如，在一个聊天服务器中一个单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示：

要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新连接进来，数据接收等。

Selector的创建（open()）
向Selector注册通道（register（））
通过Selector选择通道（select()）
Selector唤醒（wakeUp()）

一个完整的Selector示例：

//出自：http://zhhphappy.iteye.com/blog/2032893

selector = Selector.open();

ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();

ssc.configureBlocking(false);

ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(port));

ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

while (true) {

	// select()阻塞，等待有事件发生唤醒

	int selected = selector.select();

	if (selected > 0) {

		Iterator<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys().iterator();

		while (selectedKeys.hasNext()) {

			SelectionKey key = selectedKeys.next();

			if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT) {

				// 处理 accept 事件

			} else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ) == SelectionKey.OP_READ) {

				// 处理 read 事件

			} else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_WRITE) == SelectionKey.OP_WRITE) {

				// 处理 write 事件

			}

			selectedKeys.remove();

		}

	}

}

Pipe Java NIO 管道是2个线程之间的单向数据连接。Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会被写到sink通道，从source通道读取。Pipe原理的图示：

创建管道

Pipe pipe = Pipe.open();	//通过Pipe.open()方法打开管道

向管道写数据

//要向管道写数据，需要访问sink通道

Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();

//通过调用SinkChannel的write()方法，将数据写入SinkChannel

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);

}

从管道中读取数据

//从读取管道的数据，需要访问source通道

Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();

//调用source通道的read()方法来读取数据，read()方法返回的int值会告诉我们多少字节被读进了缓冲区。

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = sourceChannel.read(buf);

2、Java NIO和IO区别

IO	NIO
面向流	面向缓冲
阻塞IO	非阻塞IO
无	有选择器

面向流与面向缓冲

Java NIO和IO之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，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）。
选择器（Selectors）

Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。

3、NIO和IO如何影响应用程序的设计

无论您选择IO或NIO工具箱，可能会影响您应用程序设计的以下几个方面：

对NIO或IO类的API调用。

当然，使用NIO的API调用时看起来与使用IO时有所不同，但这并不意外，因为并不是仅从一个InputStream逐字节读取，而是数据必须先读入缓冲区再处理。
数据处理。使用纯粹的NIO设计相较IO设计，数据处理也受到影响。

在IO设计中，我们从InputStream或Reader逐字节读取数据。假设你正在处理一基于行的文本数据流，例如文本：Name: Anna Age: 25 Email: anna@mailserver.com Phone: 1234567890。

该文本行的流可以这样处理：InputStream input = … ; // get the InputStream from the client socket
```
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));

String nameLine   = reader.readLine();

String ageLine    = reader.readLine();

String emailLine  = reader.readLine();

String phoneLine  = reader.readLine();
```
请注意处理状态由程序执行多久决定。换句话说，一旦reader.readLine()方法返回，你就知道肯定文本行就已读完， readline()阻塞直到整行读完，这就是原因。你也知道此行包含名称；同样，第二个readline()调用返回的时候，你知道这行包含年龄等。正如你可以看到，该处理程序仅在有新数据读入时运行，并知道每步的数据是什么。一旦正在运行的线程已处理过读入的某些数据，该线程不会再回退数据（大多如此）。Java IO: 从一个阻塞的流中读数据？

而在NIO的实现中会有所不同，下面是一个简单的例子：
```
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buffer);
```
注意第二行，从通道读取字节到ByteBuffer。当这个方法调用返回时，你不知道你所需的所有数据是否在缓冲区内。你所知道的是，该缓冲区包含一些字节，这使得处理有点困难。假设第一次 read(buffer)调用后，读入缓冲区的数据只有半行，例如，“Name:An”，你能处理数据吗？显然不能，需要等待，直到整行数据读入缓存，在此之前，对数据的任何处理毫无意义。

所以，你怎么知道是否该缓冲区包含足够的数据可以处理呢？好了，你不知道。发现的方法只能查看缓冲区中的数据。其结果是，在你知道所有数据都在缓冲区里之前，你必须检查几次缓冲区的数据。这不仅效率低下，而且可以使程序设计方案杂乱不堪。例如：
```
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buffer);

while(! bufferFull(bytesRead) ) {

  bytesRead = inChannel.read(buffer);

}
```
bufferFull()方法必须跟踪有多少数据读入缓冲区，并返回真或假，这取决于缓冲区是否已满。换句话说，如果缓冲区准备好被处理，那么表示缓冲区满了。bufferFull()方法扫描缓冲区，但必须保持在bufferFull（）方法被调用之前状态相同。如果没有，下一个读入缓冲区的数据可能无法读到正确的位置。这是不可能的，但却是需要注意的又一问题。如果缓冲区已满，它可以被处理。如果它不满，并且在你的实际案例中有意义，你或许能处理其中的部分数据。但是许多情况下并非如此。Java NIO:从一个通道里读数据，直到所有的数据都读到缓冲区里？
用来处理数据的线程数。

Java NIO: 单线程管理多个连接

Java IO: 一个典型的IO服务器设计- 一个连接通过一个线程处理.