Java基础之IO和NIO（一）

版权声明： https://blog.csdn.net/m0_37984616/article/details/81949624

IO过程：

byte[] b = new byte[4096];

while((read = inputStream.read(b))>=0) {
        total = total + read;
            // other code....
        }

1）程序员写代码创建一个缓冲区（这个缓冲区是用户缓冲区；
2）当执行到read()方法时，其实底层是发生了很多操作的：
①内核给磁盘控制器发命令说：我要读磁盘上的某某块磁盘块上的数据。–kernel issuing a command to the disk controller hardware to fetch the data from disk.
②在DMA的控制下，把磁盘上的数据读入到内核缓冲区。–The disk controller writes the data directly into a kernel memory buffer by DMA
③内核把数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。–kernel copies the data from the temporary buffer in kernel space
这里的用户缓冲区应该就是我们写的代码中 new 的 byte[] 数组。
分析：
ⓐ对于操作系统而言，JVM只是一个用户进程，处于用户态空间中。而处于用户态空间的进程是不能直接操作底层的硬件的。而IO操作就需要操作底层的硬件，比如磁盘。因此，IO操作必须得借助内核的帮助才能完成(中断，trap)，即：会有用户态到内核态的切换。

ⓑ我们写代码 new byte[] 数组时，一般是都是“随意” 创建一个“任意大小”的数组。比如，new byte[128]、new byte[1024]、new byte[4096]….
但是，对于磁盘块的读取而言，每次访问磁盘读数据时，并不是读任意大小的数据的，而是：每次读一个磁盘块或者若干个磁盘块(这是因为访问磁盘操作代价是很大的，而且我们也相信局部性原理) 因此，就需要有一个“中间缓冲区”–即内核缓冲区。先把数据从磁盘读到内核缓冲区中，然后再把数据从内核缓冲区搬到用户缓冲区。

这也是为什么我们总感觉到第一次read操作很慢，而后续的read操作却很快的原因吧。因为，对于后续的read操作而言，它所需要读的数据很可能已经在内核缓冲区了，此时只需将内核缓冲区中的数据拷贝到用户缓冲区即可，并未涉及到底层的读取磁盘操作，当然就快了。

---

DMA为什么不直接将磁盘上的数据读入到用户缓冲区呢？一方面是 ⓑ中提到的内核缓冲区作为一个中间缓冲区。用来“适配”用户缓冲区的“任意大小”和每次读磁盘块的固定大小。另一方面则是，用户缓冲区位于用户态空间，而DMA读取数据这种操作涉及到底层的硬件，硬件一般是不能直接访问用户态空间的（OS的原因吧）

综上，由于DMA不能直接访问用户空间(用户缓冲区)，普通IO操作需要将数据来回地在 用户缓冲区 和 内核缓冲区移动，这在一定程序上影响了IO的速度。那有没有相应的解决方案呢？

那就是直接内存映射IO，也即JAVA NIO中提到的内存映射文件，或者说 直接内存….总之，它们表达的意思都差不多。

NIO

IO和NIO区别：

Java NIO的核心在于通道Channels 和缓冲区 Buffers。通道表示打开到IO设备的连接。如需要使用IO系统，需要获取用于连接IO设备的通道以及用于容纳数据的缓冲区。然后操作缓冲区，对数据进行处理。
简单说：通道负责传输，缓冲区负责存储。

核心部分：Channels、Buffers、Selectors

Buffers

在Java NIO 中负责数据的存取，缓冲区就是数组。
常见的：ByteBuffer，CharBuffer，IntBuffer等；
四个核心属性：
mark：标记，表示记录当前 position 的位置。可以通过 reset() 恢复到 mark 的位置
position：位置，表示缓冲区中正在操作数据的位置
limit：界限，表示缓冲区中可以操作数据的大小，limit后数据不能进行读写
capacity：容量表示缓冲区最大存储数据的容量，一但声明不可修改。
核心方法
allocate() 获取缓冲区
put() 存入数据到缓冲区
filp() 切换到读模式
get() 获取缓冲区数据
非直接缓冲区：通过 allocate() 方法分配缓冲区，将缓冲区建立在 JVM 的内存中
直接缓冲区：通过 allocateDirect() 方法分配直接缓冲区，将缓冲区建立在物理内存中。可以提高效率

/*
 * 一、缓冲区（Buffer）：在 Java NIO 中负责数据的存取。缓冲区就是数组。用于存储不同数据类型的数据
 * 
 * 根据数据类型不同（boolean 除外），提供了相应类型的缓冲区：
 * ByteBuffer
 * CharBuffer
 * ShortBuffer
 * IntBuffer
 * LongBuffer
 * FloatBuffer
 * DoubleBuffer
 * 
 * 上述缓冲区的管理方式几乎一致，通过 allocate() 获取缓冲区
 * 
 * 二、缓冲区存取数据的两个核心方法：
 * put() : 存入数据到缓冲区中
 * get() : 获取缓冲区中的数据
 * 
 * 三、缓冲区中的四个核心属性：
 * capacity : 容量，表示缓冲区中最大存储数据的容量。一旦声明不能改变。
 * limit : 界限，表示缓冲区中可以操作数据的大小。（limit 后数据不能进行读写）
 * position : 位置，表示缓冲区中正在操作数据的位置。
 * mark : 标记，表示记录当前 position 的位置。可以通过 reset() 恢复到 mark 的位置
 * 
 * 0 <= mark <= position <= limit <= capacity
 * 
 * 四、直接缓冲区与非直接缓冲区：
 * 非直接缓冲区：通过 allocate() 方法分配缓冲区，将缓冲区建立在 JVM 的内存中
 * 直接缓冲区：通过 allocateDirect() 方法分配直接缓冲区，将缓冲区建立在物理内存中。可以提高效率
 */
public class TestBuffer {

    @Test
    public void test3(){
        //分配直接缓冲区
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

        System.out.println(buf.isDirect());
    }

    @Test
    public void test2(){
        String str = "abcde";

        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

        buf.put(str.getBytes());

        buf.flip();

        byte[] dst = new byte[buf.limit()];
        buf.get(dst, 0, 2);
        System.out.println(new String(dst, 0, 2));
        System.out.println(buf.position());

        //mark() : 标记
        buf.mark();

        buf.get(dst, 2, 2);
        System.out.println(new String(dst, 2, 2));
        System.out.println(buf.position());

        //reset() : 恢复到 mark 的位置
        buf.reset();
        System.out.println(buf.position());

        //判断缓冲区中是否还有剩余数据
        if(buf.hasRemaining()){

            //获取缓冲区中可以操作的数量
            System.out.println(buf.remaining());
        }
    }

    @Test
    public void test1(){
        String str = "abcde";

        //1. 分配一个指定大小的缓冲区
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

        System.out.println("-----------------allocate()----------------");
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity());

        //2. 利用 put() 存入数据到缓冲区中
        buf.put(str.getBytes());

        System.out.println("-----------------put()----------------");
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity());

        //3. 切换读取数据模式
        buf.flip();

        System.out.println("-----------------flip()----------------");
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity());

        //4. 利用 get() 读取缓冲区中的数据
        byte[] dst = new byte[buf.limit()];
        buf.get(dst);
        System.out.println(new String(dst, 0, dst.length));

        System.out.println("-----------------get()----------------");
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity());

        //5. rewind() : 可重复读
        buf.rewind();

        System.out.println("-----------------rewind()----------------");
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity());

        //6. clear() : 清空缓冲区. 但是缓冲区中的数据依然存在，但是处于“被遗忘”状态
        buf.clear();

        System.out.println("-----------------clear()----------------");
        System.out.println(buf.position());
        System.out.println(buf.limit());
        System.out.println(buf.capacity());

        System.out.println((char)buf.get());

    }

}

通道 Channel

原来的

现在把 DMA 换成通道 Channel；
通道的主要实现类

/*
 * 一、通道（Channel）：用于源节点与目标节点的连接。在 Java NIO 中负责缓冲区中数据的传输。Channel 本身不存储数据，因此需要配合缓冲区进行传输。
 * 
 * 二、通道的主要实现类
 *  java.nio.channels.Channel 接口：
 *      |--FileChannel
 *      |--SocketChannel
 *      |--ServerSocketChannel
 *      |--DatagramChannel
 * 
 * 三、获取通道
 * 1. Java 针对支持通道的类提供了 getChannel() 方法
 *      本地 IO：
 *      FileInputStream/FileOutputStream
 *      RandomAccessFile
 * 
 *      网络IO：
 *      Socket
 *      ServerSocket
 *      DatagramSocket
 *      
 * 2. 在 JDK 1.7 中的 NIO.2 针对各个通道提供了静态方法 open()
 * 3. 在 JDK 1.7 中的 NIO.2 的 Files 工具类的 newByteChannel()
 * 
 * 四、通道之间的数据传输
 * transferFrom()
 * transferTo()
 * 
 * 五、分散(Scatter)与聚集(Gather)
 * 分散读取（Scattering Reads）：将通道中的数据分散到多个缓冲区中
 * 聚集写入（Gathering Writes）：将多个缓冲区中的数据聚集到通道中
 * 
 * 六、字符集：Charset
 * 编码：字符串 -> 字节数组
 * 解码：字节数组  -> 字符串
 * 
 */
public class TestChannel {

    //字符集
    @Test
    public void test6() throws IOException{
        Charset cs1 = Charset.forName("GBK");

        //获取编码器
        CharsetEncoder ce = cs1.newEncoder();

        //获取解码器
        CharsetDecoder cd = cs1.newDecoder();

        CharBuffer cBuf = CharBuffer.allocate(1024);
        cBuf.put("尚硅谷威武！");
        cBuf.flip();

        //编码
        ByteBuffer bBuf = ce.encode(cBuf);

        for (int i = 0; i < 12; i++) {
            System.out.println(bBuf.get());
        }

        //解码
        bBuf.flip();
        CharBuffer cBuf2 = cd.decode(bBuf);
        System.out.println(cBuf2.toString());

        System.out.println("------------------------------------------------------");

        Charset cs2 = Charset.forName("GBK");
        bBuf.flip();
        CharBuffer cBuf3 = cs2.decode(bBuf);
        System.out.println(cBuf3.toString());
    }

    @Test
    public void test5(){
        Map<String, Charset> map = Charset.availableCharsets();

        Set<Entry<String, Charset>> set = map.entrySet();

        for (Entry<String, Charset> entry : set) {
            System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue());
        }
    }

    //分散和聚集
    @Test
    public void test4() throws IOException{
        RandomAccessFile raf1 = new RandomAccessFile("1.txt", "rw");

        //1. 获取通道
        FileChannel channel1 = raf1.getChannel();

        //2. 分配指定大小的缓冲区
        ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(100);
        ByteBuffer buf2 = ByteBuffer.allocate(1024);

        //3. 分散读取
        ByteBuffer[] bufs = {buf1, buf2};
        channel1.read(bufs);

        for (ByteBuffer byteBuffer : bufs) {
            byteBuffer.flip();
        }

        System.out.println(new String(bufs[0].array(), 0, bufs[0].limit()));
        System.out.println("-----------------");
        System.out.println(new String(bufs[1].array(), 0, bufs[1].limit()));

        //4. 聚集写入
        RandomAccessFile raf2 = new RandomAccessFile("2.txt", "rw");
        FileChannel channel2 = raf2.getChannel();

        channel2.write(bufs);
    }

    //通道之间的数据传输(直接缓冲区)
    @Test
    public void test3() throws IOException{
        FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/1.mkv"), StandardOpenOption.READ);
        FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/2.mkv"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.CREATE);

//      inChannel.transferTo(0, inChannel.size(), outChannel);
        outChannel.transferFrom(inChannel, 0, inChannel.size());

        inChannel.close();
        outChannel.close();
    }

    //使用直接缓冲区完成文件的复制(内存映射文件)
    @Test
    public void test2() throws IOException{//2127-1902-1777
        long start = System.currentTimeMillis();

        FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/1.mkv"), StandardOpenOption.READ);
        FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("d:/2.mkv"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.CREATE);

        //内存映射文件
        MappedByteBuffer inMappedBuf = inChannel.map(MapMode.READ_ONLY, 0, inChannel.size());
        MappedByteBuffer outMappedBuf = outChannel.map(MapMode.READ_WRITE, 0, inChannel.size());

        //直接对缓冲区进行数据的读写操作
        byte[] dst = new byte[inMappedBuf.limit()];
        inMappedBuf.get(dst);
        outMappedBuf.put(dst);

        inChannel.close();
        outChannel.close();

        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("耗费时间为：" + (end - start));
    }

    //利用通道完成文件的复制（非直接缓冲区）
    @Test
    public void test1(){//10874-10953
        long start = System.currentTimeMillis();

        FileInputStream fis = null;
        FileOutputStream fos = null;
        //①获取通道
        FileChannel inChannel = null;
        FileChannel outChannel = null;
        try {
            fis = new FileInputStream("d:/1.mkv");
            fos = new FileOutputStream("d:/2.mkv");

            inChannel = fis.getChannel();
            outChannel = fos.getChannel();

            //②分配指定大小的缓冲区
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

            //③将通道中的数据存入缓冲区中
            while(inChannel.read(buf) != -1){
                buf.flip(); //切换读取数据的模式
                //④将缓冲区中的数据写入通道中
                outChannel.write(buf);
                buf.clear(); //清空缓冲区
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if(outChannel != null){
                try {
                    outChannel.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

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

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

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

        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("耗费时间为：" + (end - start));

    }

}