Buffer
一个 Buffer 本质上是内存中的一块,我们可以将数据写入这块内存中,之后从这块内存获取数据。
java.nio 定义了以下几个 Buffer 的实现。
其中最核心的是最后的 ByteBuffer,前面的一大串类只是包装了一下它而已,我们使用最多的通常也是 ByteBuffer。
我们应该将 Buffer 理解为一个数组,IntBuffer 、ChannelBuffer 、DoubleBuffer 等分别对应int[] 、char[] 、double[] 等。
操作 Buffer 和操作数组、类集差不多,只不过大部分时候我们都把它放到了 NIO 的场景里面来使用而已。下面是 Buffer 中的几个重要属性和几个重要方法。
position 、limit 、capacity
就像数组有数组容量,每次访问元素要指定下标,Buffer 中也有几个重要属性:position、limit、capacity。
最好理解的当然是 capacity,它代表这个缓冲区的容量,一旦设定就不可以更改。如 capacity 为 1024 的 IntBuffer,代表其一次可以存放 1024 个 int 类型的值。一旦 Buffer 的容量达到 capacity,需要清空 Buffer,才能重新写入值。
position 和 limit 是变化的,我们分别看下读和写操作,他们是如何变化的。
position的初始值是0,每往 Buffer 中写入一个值,position 就自动加 1,代表下一次的写入位置。读操作的时候也是类似的,每读一个值,position 就自动加 1。
从写操作模式到读操作模式切换的时候(flip),position 都会归零,这样就可以从头开始读写了。
Limit:写操作模式下,limit 代表的是最大能写入的数据,这个时候 limit 等于 capacity。写结束后,切换到读模式,此时的limit 等于 Buffer 中实际的数据大小,因为 Buffer 不一定被写满了。
初始化Buffer
每个 Buffer 实现类都提供了一个静态方法 allocate(int capacity) 帮助我们快速实例化一个 Buffer。如:
ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
IntBuffer intBuf = IntBuffer.allocate(1024);
LongBuffer longBuf = LongBuffer.allocate(1024);
另外,我们经常使用 wrap 方法来初始化一个 Buffer。
public static ByteBuffer wrap(byte[] array) {
...
}
填充Buffer
各个 Buffer 类都提供了一些 put 方法用于将数据填充到 Buffer 中,如 ByteBuffer 中的几个方法:
// 填充一个 byte 值
public abstract ByteBuffer put(byte b);
// 在指定位置填充一个 int 值
public abstract ByteBuffer put(int index, byte b);
// 将一个数组中的值填充进去
public final ByteBuffer put(byte[] src) {...}
public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length) {...}
上述这些方法需要自己控制 Buffer 大小,不能超过 capacity,超过会抛出 java.nio.BufferOverflowException 异常。
对于 Buffer 来说,另一个常见的操作就是,我们要将来自 Channel 的数据填充到 Buffer 中,在系统层面,这个操作我们称为读操作,因为数据是从外部(文件或网络)读到内存中。
int num = channel.read(buf);
上述方法会返回从 Channel 中读入到 Buffer 的数据大小。
提取Buffer中的值
前面介绍了写操作,每写入一个值,position 最后会指向最后一次写入的位置的后面一个,如果 Buffer 写满了,那么 position等于 capacity(position 从0开始)。
如果要读 Buffer 中的值,需要切换模式,从写入模式切换到读出模式。注意,通常是在说 NIO 的读操作的时候,我们说从Channel 中读数据到 Buffer 中,对应的是对 Buffer 的写入操作。
调用 Buffer 的 flip()方法,可以进行模式切换。其实这个方法也就是设置了一下 position 和 limit 值罢了。
public final Buffer flip() {
limit = position; // 将 limit 设置为实际写入的数据数量
position = 0; // 重置 position 为 0
mark = -1; // mark 之后再说
return this;
}
对应写入操作的一系列 put 方法,读操作提供了一系列的 get 方法:
// 根据 position 来获取数据
public abstract byte get();
// 获取指定位置的数据
public abstract byte get(int index);
// 将 Buffer 中的数据写入到数组中
public ByteBuffer get(byte[] dst)
附一个经常使用的方法:
new String(buffer.array()).trim();
当然了,除了将数据从 Buffer 取出来使用,更常见的操作是将我们写入的数据传输到 Channel 中,通过 FileChannel 将数据写入到文件中,通过 SocketChannel 将数据写入到网络发送到远程机器等。对应的,这种操作,我们称之为写操作。
int num = channel.write(buf);
mark() & reset()
除了 position、limit、capacity 这三个基本的属性外,还有一个常用的属性就是 mark。
mark 用于临时保存 position 的值,每次调用 mark()方法都会将 mark 设值为当前 position,便于后续需要的时候使用。
public final Buffer mark() {
mark = position;
return this;
}
那到底什么时候用呢?考虑以下场景,我们在 position 为 5 的时候,先 mark()一下,然后继续往下读,读到第 10 的时候,我想重新回到 position 为 5 的地方重新来一遍,那只要调用一下 reset()方法,position 就回到 5 了。
public final Buffer reset() {
int m = mark;
if (m < 0)
throw new InvalidMarkException();
position = m;
return this;
}
rewind()& clear()& compact()
rewind():会重置 position 为 0 ,通常用于重新从头读写 Buffer。
public final Buffer rewind() {
position = 0;
mark = -1;
return this;
}
clear():有点重置 Buffer 的意思,相当于重新实例化了一样。
通常,我们会先填充 Buffer,然后从 Buffer 读取数据,之后我们再重新往里填充新的数据,我们一般在重新填充之前先调用clear()。
public final Buffer clear() {
position = 0;
limit = capacity;
mark = -1;
return this;
}
compact():和 clear()一样的是,它们都是在准备往 Buffer 填充新的数据之前调用。
前面说的 clear()方法会重置几个属性,但是我们要看到,clear()方法并不会将 Buffer 中的数据清空,也就相当于清空了数据了。
而 compact()方法有点不一样,调用这个方法以后,会先处理还没有读取的数据,也就是 position 到 limit 之间的数据(还没有读过的数据),先将这些数据移到左边,然后再这个基础上在开始写入。很明显,此时,limit 还是等于 capacity,position 指向原来数据的右边。
Channel
所有的 NIO 操作始于通道,通道时数据来源或数据写入的目的地,主要地,我们将关心 java.nio 包中实现的以下几个Channel:
- FileChannel:文件通道,用于文件的读和写
- DatagrmChannel:用于 UDP 连接的接收和发送
- SocketChannel:把它理解为 TCP 连接通道,简单理解就是 TCP 客户端
- ServerSocketChannel:TCP 对应的服务端,用于监听某个端口进来的请求
我们应该关注 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 。
Channel 经常翻译为通道,类似 IO 中的流,用于读取和写入。它与前面介绍的 Buffer 打交道,读取操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中,而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。
FileChannel
这里简单介绍下 FileChannel 的常用操作,FileChannel 是不支持非阻塞的。
初始化:
FileInputStream inputStream = new FileInputStream(new File("/data.txt"));
FileChannel fileChannel = inputStream.getChannel();
读取文件内容:
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int num = fileChannel.read(buffer);
所有的 Channel 都是和 Buffer 打交道的。
写入文件内容:
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("随机写入一些内容到 Buffer 中".getBytes());
// Buffer 切换为读模式
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()) {
// 将 Buffer 中的内容写入文件
fileChannel.write(buffer);
}
SocketChannel
我们可以将 SocketChannel 理解为一个 TCP 客户端(有点狭隘)。
打开一个 TCP 连接:
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80));
上面的这行代码等于下面的两行:
// 打开一个通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 发起连接
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80));
SocketChannel 的读写和 FileChannel 没有什么区别,就是操作缓冲区。
// 读取数据
socketChannel.read(buffer);
// 写入数据到网络连接中
while(buffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(buffer);
}
ServerSocketChannel
之前说 SocketChannel 是 TCP 客户端,这里说的 ServerSocketChannel 就是对应的服务端。
ServerSocketChannel 用于监听机器端口,管理从这个端口进来的 TCP 连接。
// 实例化
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 监听 8080 端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
while (true) {
// 一旦有一个 TCP 连接进来,就对应创建一个 SocketChannel 进行处理
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}
SocketChannel 它不仅仅是 TCP 客户端,它代表的是一个网络通道,可读可写。
ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道,因为它并不实际处理数据,他一旦接收到请求后,实例化 SocketChannel,之后在这个连接通道上的数据他就不管了,因为他需要继续监听端口,等待下一个连接。
DatagrmChannel
UDP 和 TCP 不一样,DatagramChannel 一个类处理了服务端和客户端。
监听端口:
DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
channel.receive(buf);
发送数据:
String newData = "New String to write to file..."
+ System.currentTimeMillis();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();
int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));
Selector
Selector 建立在非阻塞的基础之上,经常听到的多路复用在 Java 中指的就是它,用于实现一个线程管理多个 Channel。
首先,我们先开启一个 Selector。
Selector selector = Selector.open();
将 Channel 注册到 Selector 上。Selector 建立在非阻塞模式之上,所以注册到 Selector 的 Channel 必须要支持非阻塞模式,FileChannel 不支持非阻塞,我们这里讨论最常见的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 。
// 将通道设置为非阻塞模式,因为默认都是阻塞模式的
channel.configureBlocking(false);
// 注册
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
register 方法的第二个 int 型参数(使用二进制的标记位)用于表明需要监听哪些感兴趣的事件,共有以下四种事件:
SelectionKey.OP_READ 对应 00000001,通道中有数据可以进行读取
SelectionKey.OP_WRITE 对应 00000100 可以往通道中写入数据
SelectionKey.OP_CONNECT 对应 00001000,成功建立 TCP 连接
SelectionKey.OP_ACCEPT 对应 00010000,接受 TCP 连接
我们可以同时监听一个 Channel 中发生的多个事件,如我们要监听 ACCEPT 和 READ 事件,那么指定参数为二进制的00010001 即 十进制 17 即可。
注册方法返回值是 SelectionKey 实例,它包含了 Channel 和 Selector 信息,也包括了一个叫做 Interset Set 的信息,即我们设置的我们感兴趣的正在监听的事件集合。
调用 Select()方法获取通道信息,用于判断是否有我们感兴趣的事件已经发生了。Selector 的操作就是以上3步。
Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while(true) {
// 判断是否有事件准备好
int readyChannels = selector.select();
if(readyChannels == 0) continue;
// 遍历
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while(keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if(key.isAcceptable()) {
// a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
} else if (key.isConnectable()) {
// a connection was established with a remote server.
} else if (key.isReadable()) {
// a channel is ready for reading
} else if (key.isWritable()) {
// a channel is ready for writing
}
keyIterator.remove();
}
}
小结
Buffer 和数组差不多,它有 position、limit、capacity 几个重要属性。put()一下数据、flip()切换到读模式、然后用get()获取数据、clear()一下清空数据、重新回到put()写入数据。
Channel 基本上只和 Buffer 打交道,最重要的接口就是 channel.read(buffer)和 channel.write(buffer)。
Selector 用于实现非阻塞 IO。