萬字長文：助你攻破 JAVA NIO 技術壁壘

本文來源：honeypps.com/java/java-nio-quick-start/

現在使用NIO的場景越來越多，很多網上的技術框架或多或少的使用NIO技術，譬如Tomcat，Jetty。學習和掌握NIO技術已經不是一個JAVA攻城獅的加分技能，而是一個必備技能。

再者現在互聯網的面試中上點level的都會涉及一下NIO或者AIO的問題（AIO下次再講述，本篇主要講述NIO）,掌握好NIO也能幫助你獲得一份較好的offer。驅使博主寫這篇文章的關鍵是網上關於NIO的文章並不是很多，而且案例較少，針對這個特性，本文主要通過實際案例主要講述NIO的用法，每個案例都經過實際檢驗。博主通過自己的理解以及一些案例希望能給各位在學習NIO之時多一份參考。博主能力有限，文中有不足之處歡迎之處。

概述

NIO主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(緩衝區), Selector。傳統IO基於字節流和字符流進行操作，而NIO基於Channel和Buffer(緩衝區)進行操作，數據總是從通道讀取到緩衝區中，或者從緩衝區寫入到通道中。Selector(選擇區)用於監聽多個通道的事件（比如：連接打開，數據到達）。因此，單個線程可以監聽多個數據通道。

NIO和傳統IO（一下簡稱IO）之間第一個最大的區別是，IO是面向流的，NIO是面向緩衝區的。Java IO面向流意味着每次從流中讀一個或多個字節，直至讀取所有字節，它們沒有被緩存在任何地方。此外，它不能前後移動流中的數據。如果需要前後移動從流中讀取的數據，需要先將它緩存到一個緩衝區。NIO的緩衝導向方法略有不同。數據讀取到一個它稍後處理的緩衝區，需要時可在緩衝區中前後移動。這就增加了處理過程中的靈活性。但是，還需要檢查是否該緩衝區中包含所有您需要處理的數據。而且，需確保當更多的數據讀入緩衝區時，不要覆蓋緩衝區裏尚未處理的數據。

IO的各種流是阻塞的。這意味着，當一個線程調用read() 或 write()時，該線程被阻塞，直到有一些數據被讀取，或數據完全寫入。該線程在此期間不能再幹任何事情了。NIO的非阻塞模式，使一個線程從某通道發送請求讀取數據，但是它僅能得到目前可用的數據，如果目前沒有數據可用時，就什麼都不會獲取。而不是保持線程阻塞，所以直至數據變的可以讀取之前，該線程可以繼續做其他的事情。非阻塞寫也是如此。一個線程請求寫入一些數據到某通道，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。線程通常將非阻塞IO的空閒時間用於在其它通道上執行IO操作，所以一個單獨的線程現在可以管理多個輸入和輸出通道（channel）。

Channel

首先說一下Channel，國內大多翻譯成“通道”。Channel和IO中的Stream(流)是差不多一個等級的。只不過Stream是單向的，譬如：InputStream, OutputStream.而Channel是雙向的，既可以用來進行讀操作，又可以用來進行寫操作。

NIO中的Channel的主要實現有：

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

這裏看名字就可以猜出個所以然來：分別可以對應文件IO、UDP和TCP（Server和Client）。下面演示的案例基本上就是圍繞這4個類型的Channel進行陳述的。

Buffer

NIO中的關鍵Buffer實現有：ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer，分別對應基本數據類型: byte, char, double, float, int, long, short。當然NIO中還有MappedByteBuffer, HeapByteBuffer, DirectByteBuffer等這裏先不進行陳述。

Selector

Selector運行單線程處理多個Channel，如果你的應用打開了多個通道，但每個連接的流量都很低，使用Selector就會很方便。例如在一個聊天服務器中。要使用Selector, 得向Selector註冊Channel，然後調用它的select()方法。這個方法會一直阻塞到某個註冊的通道有事件就緒。一旦這個方法返回，線程就可以處理這些事件，事件的例子有如新的連接進來、數據接收等。

FileChannel

看完上面的陳述，對於第一次接觸NIO的同學來說雲裏霧裏，只說了一些概念，也沒記住什麼，更別說怎麼用了。這裏開始通過傳統IO以及更改後的NIO來做對比，以更形象的突出NIO的用法，進而使你對NIO有一點點的瞭解。

傳統IO vs NIO

首先，案例1是採用FileInputStream讀取文件內容的：

public static void method2(){
    InputStream in = null;
    try{
        in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("src/nomal_io.txt"));

        byte [] buf = new byte[1024];
        int bytesRead = in.read(buf);
        while(bytesRead != -1)
        {
            for(int i=0;i<bytesRead;i++)
                System.out.print((char)buf[i]);
            bytesRead = in.read(buf);
        }
    }catch (IOException e)
    {
        e.printStackTrace();
    }finally{
        try{
            if(in != null){
                in.close();
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

輸出結果：（略）

案例是對應的NIO（這裏通過RandomAccessFile進行操作，當然也可以通過FileInputStream.getChannel()進行操作）：

public static void method1(){
    RandomAccessFile aFile = null;
    try{
        aFile = new RandomAccessFile("src/nio.txt","rw");
        FileChannel fileChannel = aFile.getChannel();
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

        int bytesRead = fileChannel.read(buf);
        System.out.println(bytesRead);

        while(bytesRead != -1)
        {
            buf.flip();
            while(buf.hasRemaining())
            {
                System.out.print((char)buf.get());
            }

            buf.compact();
            bytesRead = fileChannel.read(buf);
        }
    }catch (IOException e){
        e.printStackTrace();
    }finally{
        try{
            if(aFile != null){
                aFile.close();
            }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

輸出結果：（略）

通過仔細對比案例1和案例2，應該能看出個大概，最起碼能發現NIO的實現方式比叫複雜。有了一個大概的印象可以進入下一步了。

Buffer的使用

從案例2中可以總結出使用Buffer一般遵循下面幾個步驟：

• 分配空間（ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); 還有一種allocateDirector後面再陳述）
• 寫入數據到Buffer(int bytesRead = fileChannel.read(buf);)
• 調用filp()方法（ buf.flip();）
• 從Buffer中讀取數據（System.out.print((char)buf.get());）
• 調用clear()方法或者compact()方法

Buffer顧名思義：緩衝區，實際上是一個容器，一個連續數組。Channel提供從文件、網絡讀取數據的渠道，但是讀寫的數據都必須經過Buffer。如下圖：

向Buffer中寫數據：

• 從Channel寫到Buffer (fileChannel.read(buf))
• 通過Buffer的put()方法 （buf.put(…)）

從Buffer中讀取數據：

• 從Buffer讀取到Channel (channel.write(buf))
• 使用get()方法從Buffer中讀取數據 （buf.get()）

可以把Buffer簡單地理解爲一組基本數據類型的元素列表，它通過幾個變量來保存這個數據的當前位置狀態：capacity, position, limit, mark：

索引	說明
capacity	緩衝區數組的總長度
position	下一個要操作的數據元素的位置
limit	緩衝區數組中不可操作的下一個元素的位置：limit<=capacity
mark	用於記錄當前position的前一個位置或者默認是-1

無圖無真相，舉例：我們通過ByteBuffer.allocate(11)方法創建了一個11個byte的數組的緩衝區，初始狀態如上圖，position的位置爲0，capacity和limit默認都是數組長度。當我們寫入5個字節時，變化如下圖：

這時我們需要將緩衝區中的5個字節數據寫入Channel的通信信道，所以我們調用ByteBuffer.flip()方法，變化如下圖所示(position設回0，並將limit設成之前的position的值)：

這時底層操作系統就可以從緩衝區中正確讀取這個5個字節數據併發送出去了。在下一次寫數據之前我們再調用clear()方法，緩衝區的索引位置又回到了初始位置。

調用clear()方法：position將被設回0，limit設置成capacity，換句話說，Buffer被清空了，其實Buffer中的數據並未被清楚，只是這些標記告訴我們可以從哪裏開始往Buffer裏寫數據。如果Buffer中有一些未讀的數據，調用clear()方法，數據將“被遺忘”，意味着不再有任何標記會告訴你哪些數據被讀過，哪些還沒有。如果Buffer中仍有未讀的數據，且後續還需要這些數據，但是此時想要先先寫些數據，那麼使用compact()方法。compact()方法將所有未讀的數據拷貝到Buffer起始處。然後將position設到最後一個未讀元素正後面。limit屬性依然像clear()方法一樣，設置成capacity。現在Buffer準備好寫數據了，但是不會覆蓋未讀的數據。

通過調用Buffer.mark()方法，可以標記Buffer中的一個特定的position，之後可以通過調用Buffer.reset()方法恢復到這個position。Buffer.rewind()方法將position設回0，所以你可以重讀Buffer中的所有數據。limit保持不變，仍然表示能從Buffer中讀取多少個元素。

SocketChannel

說完了FileChannel和Buffer, 大家應該對Buffer的用法比較瞭解了，這裏使用SocketChannel來繼續探討NIO。NIO的強大功能部分來自於Channel的非阻塞特性，套接字的某些操作可能會無限期地阻塞。例如，對accept()方法的調用可能會因爲等待一個客戶端連接而阻塞；對read()方法的調用可能會因爲沒有數據可讀而阻塞，直到連接的另一端傳來新的數據。總的來說，創建/接收連接或讀寫數據等I/O調用，都可能無限期地阻塞等待，直到底層的網絡實現發生了什麼。慢速的，有損耗的網絡，或僅僅是簡單的網絡故障都可能導致任意時間的延遲。然而不幸的是，在調用一個方法之前無法知道其是否阻塞。NIO的channel抽象的一個重要特徵就是可以通過配置它的阻塞行爲，以實現非阻塞式的信道。

channel.configureBlocking(false)

在非阻塞式信道上調用一個方法總是會立即返回。這種調用的返回值指示了所請求的操作完成的程度。例如，在一個非阻塞式ServerSocketChannel上調用accept()方法，如果有連接請求來了，則返回客戶端SocketChannel，否則返回null。

這裏先舉一個TCP應用案例，客戶端採用NIO實現，而服務端依舊使用IO實現。

客戶端代碼（案例3）：

public static void client(){
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    SocketChannel socketChannel = null;
    try
    {
        socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("10.10.195.115",8080));

        if(socketChannel.finishConnect())
        {
            int i=0;
            while(true)
            {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                String info = "I'm "+i+++"-th information from client";
                buffer.clear();
                buffer.put(info.getBytes());
                buffer.flip();
                while(buffer.hasRemaining()){
                    System.out.println(buffer);
                    socketChannel.write(buffer);
                }
            }
        }
    }
    catch (IOException | InterruptedException e)
    {
        e.printStackTrace();
    }
    finally{
        try{
            if(socketChannel!=null){
                socketChannel.close();
            }
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

服務端代碼（案例4）：

public static void server(){
    ServerSocket serverSocket = null;
    InputStream in = null;
    try
    {
        serverSocket = new ServerSocket(8080);
        int recvMsgSize = 0;
        byte[] recvBuf = new byte[1024];
        while(true){
            Socket clntSocket = serverSocket.accept();
            SocketAddress clientAddress = clntSocket.getRemoteSocketAddress();
            System.out.println("Handling client at "+clientAddress);
            in = clntSocket.getInputStream();
            while((recvMsgSize=in.read(recvBuf))!=-1){
                byte[] temp = new byte[recvMsgSize];
                System.arraycopy(recvBuf, 0, temp, 0, recvMsgSize);
                System.out.println(new String(temp));
            }
        }
    }
    catch (IOException e)
    {
        e.printStackTrace();
    }
    finally{
        try{
            if(serverSocket!=null){
                serverSocket.close();
            }
            if(in!=null){
                in.close();
            }
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

輸出結果：（略）

根據案例分析，總結一下SocketChannel的用法。

打開SocketChannel：

socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("10.10.195.115",8080));

關閉：

socketChannel.close();

讀取數據：

String info = "I'm "+i+++"-th information from client";
buffer.clear();
buffer.put(info.getBytes());
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()){
    System.out.println(buffer);
    socketChannel.write(buffer);
}

注意SocketChannel.write()方法的調用是在一個while循環中的。Write()方法無法保證能寫多少字節到SocketChannel。所以，我們重複調用write()直到Buffer沒有要寫的字節爲止。

非阻塞模式下,read()方法在尚未讀取到任何數據時可能就返回了。所以需要關注它的int返回值，它會告訴你讀取了多少字節。

TCP服務端的NIO寫法

到目前爲止，所舉的案例中都沒有涉及Selector。不要急，好東西要慢慢來。Selector類可以用於避免使用阻塞式客戶端中很浪費資源的“忙等”方法。例如，考慮一個IM服務器。像QQ或者旺旺這樣的，可能有幾萬甚至幾千萬個客戶端同時連接到了服務器，但在任何時刻都只是非常少量的消息。

需要讀取和分發。這就需要一種方法阻塞等待，直到至少有一個信道可以進行I/O操作，並指出是哪個信道。NIO的選擇器就實現了這樣的功能。一個Selector實例可以同時檢查一組信道的I/O狀態。用專業術語來說，選擇器就是一個多路開關選擇器，因爲一個選擇器能夠管理多個信道上的I/O操作。然而如果用傳統的方式來處理這麼多客戶端，使用的方法是循環地一個一個地去檢查所有的客戶端是否有I/O操作，如果當前客戶端有I/O操作，則可能把當前客戶端扔給一個線程池去處理，如果沒有I/O操作則進行下一個輪詢，當所有的客戶端都輪詢過了又接着從頭開始輪詢；這種方法是非常笨而且也非常浪費資源，因爲大部分客戶端是沒有I/O操作，我們也要去檢查；而Selector就不一樣了，它在內部可以同時管理多個I/O，當一個信道有I/O操作的時候，他會通知Selector，Selector就是記住這個信道有I/O操作，並且知道是何種I/O操作，是讀呢？是寫呢？還是接受新的連接；所以如果使用Selector，它返回的結果只有兩種結果，一種是0，即在你調用的時刻沒有任何客戶端需要I/O操作，另一種結果是一組需要I/O操作的客戶端，這時你就根本不需要再檢查了，因爲它返回給你的肯定是你想要的。這樣一種通知的方式比那種主動輪詢的方式要高效得多！

要使用選擇器（Selector），需要創建一個Selector實例（使用靜態工廠方法open()）並將其註冊（register）到想要監控的信道上（注意，這要通過channel的方法實現，而不是使用selector的方法）。最後，調用選擇器的select()方法。該方法會阻塞等待，直到有一個或更多的信道準備好了I/O操作或等待超時。select()方法將返回可進行I/O操作的信道數量。現在，在一個單獨的線程中，通過調用select()方法就能檢查多個信道是否準備好進行I/O操作。如果經過一段時間後仍然沒有信道準備好，select()方法就會返回0，並允許程序繼續執行其他任務。

下面將上面的TCP服務端代碼改寫成NIO的方式（案例5）：

public class ServerConnect
{
    private static final int BUF_SIZE=1024;
    private static final int PORT = 8080;
    private static final int TIMEOUT = 3000;

    public static void main(String[] args)
    {
        selector();
    }

    public static void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException{
        ServerSocketChannel ssChannel = (ServerSocketChannel)key.channel();
        SocketChannel sc = ssChannel.accept();
        sc.configureBlocking(false);
        sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocateDirect(BUF_SIZE));
    }

    public static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException{
        SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        long bytesRead = sc.read(buf);
        while(bytesRead>0){
            buf.flip();
            while(buf.hasRemaining()){
                System.out.print((char)buf.get());
            }
            System.out.println();
            buf.clear();
            bytesRead = sc.read(buf);
        }
        if(bytesRead == -1){
            sc.close();
        }
    }

    public static void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException{
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer)key.attachment();
        buf.flip();
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        while(buf.hasRemaining()){
            sc.write(buf);
        }
        buf.compact();
    }

    public static void selector() {
        Selector selector = null;
        ServerSocketChannel ssc = null;
        try{
            selector = Selector.open();
            ssc= ServerSocketChannel.open();
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            ssc.configureBlocking(false);
            ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            while(true){
                if(selector.select(TIMEOUT) == 0){
                    System.out.println("==");
                    continue;
                }
                Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
                while(iter.hasNext()){
                    SelectionKey key = iter.next();
                    if(key.isAcceptable()){
                        handleAccept(key);
                    }
                    if(key.isReadable()){
                        handleRead(key);
                    }
                    if(key.isWritable() && key.isValid()){
                        handleWrite(key);
                    }
                    if(key.isConnectable()){
                        System.out.println("isConnectable = true");
                    }
                    iter.remove();
                }
            }

        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                if(selector!=null){
                    selector.close();
                }
                if(ssc!=null){
                    ssc.close();
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

下面來慢慢講解這段代碼。

ServerSocketChannel

打開ServerSocketChannel：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

關閉ServerSocketChannel：

serverSocketChannel.close();

監聽新進來的連接：

while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}

ServerSocketChannel可以設置成非阻塞模式。在非阻塞模式下，accept() 方法會立刻返回，如果還沒有新進來的連接,返回的將是null。因此，需要檢查返回的SocketChannel是否是null.如：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
while (true)
{
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    if (socketChannel != null)
    {
        // do something with socketChannel...
    }
}

Selector

Selector的創建：Selector selector = Selector.open();

爲了將Channel和Selector配合使用，必須將Channel註冊到Selector上，通過SelectableChannel.register()方法來實現，沿用案例5中的部分代碼：

ssc= ServerSocketChannel.open();
ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
ssc.configureBlocking(false);
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

與Selector一起使用時，Channel必須處於非阻塞模式下。這意味着不能將FileChannel與Selector一起使用，因爲FileChannel不能切換到非阻塞模式。而套接字通道都可以。

注意register()方法的第二個參數。這是一個“interest集合”，意思是在通過Selector監聽Channel時對什麼事件感興趣。可以監聽四種不同類型的事件：

1. Connect
2. Accept
3. Read
4. Write

通道觸發了一個事件意思是該事件已經就緒。所以，某個channel成功連接到另一個服務器稱爲“連接就緒”。一個server socket channel準備好接收新進入的連接稱爲“接收就緒”。一個有數據可讀的通道可以說是“讀就緒”。等待寫數據的通道可以說是“寫就緒”。

這四種事件用SelectionKey的四個常量來表示：

1. SelectionKey.OP_CONNECT
2. SelectionKey.OP_ACCEPT
3. SelectionKey.OP_READ
4. SelectionKey.OP_WRITE

SelectionKey

當向Selector註冊Channel時，register()方法會返回一個SelectionKey對象。這個對象包含了一些你感興趣的屬性：

• interest集合
• ready集合
• Channel
• Selector
• 附加的對象（可選）

interest集合：就像向Selector註冊通道一節中所描述的，interest集合是你所選擇的感興趣的事件集合。可以通過SelectionKey讀寫interest集合。

ready 集合是通道已經準備就緒的操作的集合。在一次選擇(Selection)之後，你會首先訪問這個ready set。Selection將在下一小節進行解釋。可以這樣訪問ready集合：

int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像檢測interest集合那樣的方法，來檢測channel中什麼事件或操作已經就緒。但是，也可以使用以下四個方法，它們都會返回一個布爾類型：

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

從SelectionKey訪問Channel和Selector很簡單。如下：

Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();

可以將一個對象或者更多信息附着到SelectionKey上，這樣就能方便的識別某個給定的通道。例如，可以附加 與通道一起使用的Buffer，或是包含聚集數據的某個對象。使用方法如下：

selectionKey.attach(theObject);
Object attachedObj = selectionKey.attachment();

還可以在用register()方法向Selector註冊Channel的時候附加對象。如：

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

通過Selector選擇通道

一旦向Selector註冊了一或多個通道，就可以調用幾個重載的select()方法。這些方法返回你所感興趣的事件（如連接、接受、讀或寫）已經準備就緒的那些通道。換句話說，如果你對“讀就緒”的通道感興趣，select()方法會返回讀事件已經就緒的那些通道。

下面是select()方法：

• int select()
• int select(long timeout)
• int selectNow()

select()阻塞到至少有一個通道在你註冊的事件上就緒了。

select(long timeout)和select()一樣，除了最長會阻塞timeout毫秒(參數)。

selectNow()不會阻塞，不管什麼通道就緒都立刻返回（譯者注：此方法執行非阻塞的選擇操作。如果自從前一次選擇操作後，沒有通道變成可選擇的，則此方法直接返回零。）。

select()方法返回的int值表示有多少通道已經就緒。亦即，自上次調用select()方法後有多少通道變成就緒狀態。如果調用select()方法，因爲有一個通道變成就緒狀態，返回了1，若再次調用select()方法，如果另一個通道就緒了，它會再次返回1。如果對第一個就緒的channel沒有做任何操作，現在就有兩個就緒的通道，但在每次select()方法調用之間，只有一個通道就緒了。

一旦調用了select()方法，並且返回值表明有一個或更多個通道就緒了，然後可以通過調用selector的selectedKeys()方法，訪問“已選擇鍵集（selected key set）”中的就緒通道。如下所示：

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

當向Selector註冊Channel時，Channel.register()方法會返回一個SelectionKey 對象。這個對象代表了註冊到該Selector的通道。

注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()調用。Selector不會自己從已選擇鍵集中移除SelectionKey實例。必須在處理完通道時自己移除。下次該通道變成就緒時，Selector會再次將其放入已選擇鍵集中。

SelectionKey.channel()方法返回的通道需要轉型成你要處理的類型，如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

一個完整的使用Selector和ServerSocketChannel的案例可以參考案例5的selector()方法。

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內存映射文件

JAVA處理大文件，一般用BufferedReader,BufferedInputStream這類帶緩衝的IO類，不過如果文件超大的話，更快的方式是採用MappedByteBuffer。

MappedByteBuffer是NIO引入的文件內存映射方案，讀寫性能極高。NIO最主要的就是實現了對異步操作的支持。其中一種通過把一個套接字通道(SocketChannel)註冊到一個選擇器(Selector)中,不時調用後者的選擇(select)方法就能返回滿足的選擇鍵(SelectionKey),鍵中包含了SOCKET事件信息。這就是select模型。

SocketChannel的讀寫是通過一個類叫ByteBuffer來操作的.這個類本身的設計是不錯的,比直接操作byte[]方便多了. ByteBuffer有兩種模式:直接/間接.間接模式最典型(也只有這麼一種)的就是HeapByteBuffer,即操作堆內存 (byte[]).但是內存畢竟有限,如果我要發送一個1G的文件怎麼辦?不可能真的去分配1G的內存.這時就必須使用”直接”模式,即 MappedByteBuffer,文件映射.

先中斷一下,談談操作系統的內存管理.一般操作系統的內存分兩部分:物理內存;虛擬內存.虛擬內存一般使用的是頁面映像文件,即硬盤中的某個(某些)特殊的文件.操作系統負責頁面文件內容的讀寫,這個過程叫”頁面中斷/切換”. MappedByteBuffer也是類似的,你可以把整個文件(不管文件有多大)看成是一個ByteBuffer.MappedByteBuffer 只是一種特殊的ByteBuffer，即是ByteBuffer的子類。MappedByteBuffer 將文件直接映射到內存（這裏的內存指的是虛擬內存，並不是物理內存）。通常，可以映射整個文件，如果文件比較大的話可以分段進行映射，只要指定文件的那個部分就可以。

概念

FileChannel提供了map方法來把文件影射爲內存映像文件：MappedByteBuffer map(int mode,long position,long size); 可以把文件的從position開始的size大小的區域映射爲內存映像文件，mode指出了 可訪問該內存映像文件的方式：

• READ_ONLY,（只讀）：試圖修改得到的緩衝區將導致拋出 ReadOnlyBufferException.(MapMode.READ_ONLY)
• READ_WRITE（讀/寫）：對得到的緩衝區的更改最終將傳播到文件；該更改對映射到同一文件的其他程序不一定是可見的。(MapMode.READ_WRITE)
• PRIVATE（專用）：對得到的緩衝區的更改不會傳播到文件，並且該更改對映射到同一文件的其他程序也不是可見的；相反，會創建緩衝區已修改部分的專用副本。(MapMode.PRIVATE)

MappedByteBuffer是ByteBuffer的子類，其擴充了三個方法：

• force()：緩衝區是READ_WRITE模式下，此方法對緩衝區內容的修改強行寫入文件；
• load()：將緩衝區的內容載入內存，並返回該緩衝區的引用；
• isLoaded()：如果緩衝區的內容在物理內存中，則返回真，否則返回假；

案例對比

這裏通過採用ByteBuffer和MappedByteBuffer分別讀取大小約爲5M的文件”src/1.ppt”來比較兩者之間的區別，method3()是採用MappedByteBuffer讀取的，method4()對應的是ByteBuffer。

public static void method4(){
    RandomAccessFile aFile = null;
    FileChannel fc = null;
    try{
        aFile = new RandomAccessFile("src/1.ppt","rw");
        fc = aFile.getChannel();

        long timeBegin = System.currentTimeMillis();
        ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate((int) aFile.length());
        buff.clear();
        fc.read(buff);
        //System.out.println((char)buff.get((int)(aFile.length()/2-1)));
        //System.out.println((char)buff.get((int)(aFile.length()/2)));
        //System.out.println((char)buff.get((int)(aFile.length()/2)+1));
        long timeEnd = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Read time: "+(timeEnd-timeBegin)+"ms");

    }catch(IOException e){
        e.printStackTrace();
    }finally{
        try{
            if(aFile!=null){
                aFile.close();
            }
            if(fc!=null){
                fc.close();
            }
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public static void method3(){
    RandomAccessFile aFile = null;
    FileChannel fc = null;
    try{
        aFile = new RandomAccessFile("src/1.ppt","rw");
        fc = aFile.getChannel();
        long timeBegin = System.currentTimeMillis();
        MappedByteBuffer mbb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, aFile.length());
        // System.out.println((char)mbb.get((int)(aFile.length()/2-1)));
        // System.out.println((char)mbb.get((int)(aFile.length()/2)));
        //System.out.println((char)mbb.get((int)(aFile.length()/2)+1));
        long timeEnd = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Read time: "+(timeEnd-timeBegin)+"ms");
    }catch(IOException e){
        e.printStackTrace();
    }finally{
        try{
            if(aFile!=null){
                aFile.close();
            }
            if(fc!=null){
                fc.close();
            }
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

通過在入口函數main()中運行：

method3();
System.out.println("=============");
method4();

輸出結果（運行在普通PC機上）：

Read time: 2ms
=============
Read time: 12ms

通過輸出結果可以看出彼此的差別，一個例子也許是偶然，那麼下面把5M大小的文件替換爲200M的文件，輸出結果：

Read time: 1ms
=============
Read time: 407ms

可以看到差距拉大。

注：MappedByteBuffer有資源釋放的問題：被MappedByteBuffer打開的文件只有在垃圾收集時纔會被關閉，而這個點是不確定的。在Javadoc中這裏描述：A mapped byte buffer and the file mapping that it represents remian valid until the buffer itself is garbage-collected。詳細可以翻閱參考資料5和6.

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其餘功能介紹

看完以上陳述，詳細大家對NIO有了一定的瞭解，下面主要通過幾個案例，來說明NIO的其餘功能，下面代碼量偏多，功能性講述偏少。

Scatter/Gatter

分散（scatter）從Channel中讀取是指在讀操作時將讀取的數據寫入多個buffer中。因此，Channel將從Channel中讀取的數據“分散（scatter）”到多個Buffer中。

聚集（gather）寫入Channel是指在寫操作時將多個buffer的數據寫入同一個Channel，因此，Channel 將多個Buffer中的數據“聚集（gather）”後發送到Channel。

scatter / gather經常用於需要將傳輸的數據分開處理的場合，例如傳輸一個由消息頭和消息體組成的消息，你可能會將消息體和消息頭分散到不同的buffer中，這樣你可以方便的處理消息頭和消息體。

案例：

import java.io.File;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.Channel;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class ScattingAndGather
{
    public static void main(String args[]){
        gather();
    }

    public static void gather()
    {
        ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(10);
        ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(10);

        byte [] b1 = {'0', '1'};
        byte [] b2 = {'2', '3'};
        header.put(b1);
        body.put(b2);

        ByteBuffer [] buffs = {header, body};

        try
        {
            FileOutputStream os = new FileOutputStream("src/scattingAndGather.txt");
            FileChannel channel = os.getChannel();
            channel.write(buffs);
        }
        catch (IOException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

###transferFrom & transferTo
FileChannel的transferFrom()方法可以將數據從源通道傳輸到FileChannel中。

public static void method1(){
    RandomAccessFile fromFile = null;
    RandomAccessFile toFile = null;
    try
    {
        fromFile = new RandomAccessFile("src/fromFile.xml","rw");
        FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();
        toFile = new RandomAccessFile("src/toFile.txt","rw");
        FileChannel toChannel = toFile.getChannel();

        long position = 0;
        long count = fromChannel.size();
        System.out.println(count);
        toChannel.transferFrom(fromChannel, position, count);

    }
    catch (IOException e)
    {
        e.printStackTrace();
    }
    finally{
        try{
            if(fromFile != null){
                fromFile.close();
            }
            if(toFile != null){
                toFile.close();
            }
        }
        catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

方法的輸入參數position表示從position處開始向目標文件寫入數據，count表示最多傳輸的字節數。如果源通道的剩餘空間小於 count 個字節，則所傳輸的字節數要小於請求的字節數。此外要注意，在SoketChannel的實現中，SocketChannel只會傳輸此刻準備好的數據（可能不足count字節）。因此，SocketChannel可能不會將請求的所有數據(count個字節)全部傳輸到FileChannel中。

transferTo()方法將數據從FileChannel傳輸到其他的channel中。

public static void method2()
{
    RandomAccessFile fromFile = null;
    RandomAccessFile toFile = null;
    try
    {
        fromFile = new RandomAccessFile("src/fromFile.txt","rw");
        FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();
        toFile = new RandomAccessFile("src/toFile.txt","rw");
        FileChannel toChannel = toFile.getChannel();


        long position = 0;
        long count = fromChannel.size();
        System.out.println(count);
        fromChannel.transferTo(position, count,toChannel);

    }
    catch (IOException e)
    {
        e.printStackTrace();
    }
    finally{
        try{
            if(fromFile != null){
                fromFile.close();
            }
            if(toFile != null){
                toFile.close();
            }
        }
        catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

上面所說的關於SocketChannel的問題在transferTo()方法中同樣存在。SocketChannel會一直傳輸數據直到目標buffer被填滿。

Pipe

Java NIO 管道是2個線程之間的單向數據連接。Pipe有一個source通道和一個sink通道。數據會被寫到sink通道，從source通道讀取。

public static void method1(){
    Pipe pipe = null;
    ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(2);
    try{
        pipe = Pipe.open();
        final Pipe pipeTemp = pipe;

        exec.submit(new Callable<Object>(){
            @Override
            public Object call() throws Exception
            {
                Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipeTemp.sink();//向通道中寫數據
                while(true){
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    String newData = "Pipe Test At Time "+System.currentTimeMillis();
                    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                    buf.clear();
                    buf.put(newData.getBytes());
                    buf.flip();

                    while(buf.hasRemaining()){
                        System.out.println(buf);
                        sinkChannel.write(buf);
                    }
                }
            }
        });

        exec.submit(new Callable<Object>(){
            @Override
            public Object call() throws Exception
            {
                Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipeTemp.source();//向通道中讀數據
                while(true){
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
                    buf.clear();
                    int bytesRead = sourceChannel.read(buf);
                    System.out.println("bytesRead="+bytesRead);
                    while(bytesRead >0 ){
                        buf.flip();
                        byte b[] = new byte[bytesRead];
                        int i=0;
                        while(buf.hasRemaining()){
                            b[i]=buf.get();
                            System.out.printf("%X",b[i]);
                            i++;
                        }
                        String s = new String(b);
                        System.out.println("=================||"+s);
                        bytesRead = sourceChannel.read(buf);
                    }
                }
            }
        });
    }catch(IOException e){
        e.printStackTrace();
    }finally{
        exec.shutdown();
    }
}

DatagramChannel

Java NIO中的DatagramChannel是一個能收發UDP包的通道。因爲UDP是無連接的網絡協議，所以不能像其它通道那樣讀取和寫入。它發送和接收的是數據包。

public static void  reveive(){
    DatagramChannel channel = null;
    try{
        channel = DatagramChannel.open();
        channel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
        buf.clear();
        channel.receive(buf);

        buf.flip();
        while(buf.hasRemaining()){
            System.out.print((char)buf.get());
        }
        System.out.println();

    }catch(IOException e){
        e.printStackTrace();
    }finally{
        try{
            if(channel!=null){
                channel.close();
            }
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public static void send(){
    DatagramChannel channel = null;
    try{
        channel = DatagramChannel.open();
        String info = "I'm the Sender!";
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
        buf.clear();
        buf.put(info.getBytes());
        buf.flip();

        int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("10.10.195.115",8888));
        System.out.println(bytesSent);
    }catch(IOException e){
        e.printStackTrace();
    }finally{
        try{
            if(channel!=null){
                channel.close();
            }
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

---

可以通過閱讀參考資料2和3瞭解更多的NIO細節知識，前人栽樹後人乘涼，這裏就不贅述啦。

參考資料

1. Java NIO
2. Java NIO 系列教程
3. Java NIO 詳解
4. 《深入分析Java Web技術內幕》許令波 著
5. java大文件讀寫操作，java nio 之MappedByteBuffer，高效文件/內存映射
6. java nio 之MappedByteBuffer，高效文件/內存映射

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