Java-NIO 之 Buffer 与 Channel

NIO：一种同步非阻塞的 I/O 模型，也是 I/O 多路复用的基础。

同步与异步

同步：发起一个调用后，被调用者未处理完请求之前，调用不返回。
异步：发起一个调用后，立刻得到被调用者的回应表示已接收到请求，但是被调用者并没有返回结果，此时我们可以处理其他的请求，被调用者通常依靠事件，回调等机制来通知调用者其返回结果。

同步和异步的区别最大在于异步的话调用者不需要等待处理结果，被调用者会通过回调等机制来通知调用者其返回结果。

阻塞和非阻塞

阻塞：发起一个请求，调用者一直等待请求结果返回，也就是当前线程会被挂起，无法从事其他任务，只有当条件就绪才能继续。
非阻塞：发起一个请求，调用者不用一直等着结果返回，可以先去干其他事情。

举个生活中简单的例子，你妈妈让你烧水，小时候你比较笨啊，在那里傻等着水开（同步阻塞）。

等你稍微再长大一点，你知道每次烧水的空隙可以去干点其他事，然后只需要时不时来看看水开了没有（同步非阻塞）。

后来，你们家用上了水开了会发出声音的壶，这样你就只需要听到响声后就知道水开了，在这期间你可以随便干自己的事情，你需要去倒水了（异步非阻塞）。

一、Buffer（缓冲区）

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
 */

1.基本属性

容量(capacity) ：表示 Buffer 最大数据容量，缓冲区容量不能为负，并且创建后不能更改。
界限(limit)：第一个不应该读取或写入的数据的索引，即位于 limit 后的数据不可读写。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于其容量。
位置(position)：下一个要读取或写入的数据的索引。缓冲区的位置不能为负，并且不能大于 limit。
标记(mark)与重置(reset)：标记是一个索引，通过 Buffer 中的 mark() 方法指定 Buffer 中一个特定的 position，之后可以通过调用 reset() 方法恢复到这个 position。
标记、位置、限制、容量遵守以下不变式：0 <= mark <= position <= limit <= capacity

2.常用方法

Buffer 所有子类提供了两个用于数据操作的方法：get() 与 put()
获取 Buffer 中的数据

get() ：读取单个字节
get(byte[] dst)：批量读取多个字节到 dst 中
get(int index)：读取指定索引位置的字节(不会移动 position)

放入数据到 Buffer 中

put(byte b)：将给定单个字节写入缓冲区的当前位置
put(byte[] src)：将 src 中的字节写入缓冲区的当前位置
put(int index, byte b)：将指定字节写入缓冲区的索引位置(不会移动 position)

其它方法

Buffer clear()：清空缓冲区并返回对缓冲区的引用，不会真正的删除掉 buffer 中的数据，只是把 position 移动到 0，同时把 limit 调整为 capacity，marks 置为 -1。
Buffer flip()：将缓冲区的 limit 设置为 position，并将 position 置为 0，marks 置为 -1。

3.直接缓冲区与非直接缓冲区

// 分配缓冲区：JVM 内存中
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
// 分配直接缓冲区：本地内存中
ByteBuffer bufDirect = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
// 是否为直接缓冲区
System.out.println(buf.isDirect());

// 直接字节缓冲区还可以通过 FileChannel 的 map() 方法将文件区域直接映射到内存中来创建。该方法返回 MappedByteBuffer。

非直接缓冲区

直接缓冲区

4.简单使用

import org.junit.Test;

import java.nio.ByteBuffer;

public class TestBuffer {
    @Test
    public void markAndReset() {
        String str = "abcde14693090";
        // 分配直接缓冲区
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

        // 存入数据
        buf.put(str.getBytes());
        // 切换到读取模式
        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 getAndPut() {
        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()：" + buf.position() + "\t" + buf.limit() + "\t" + buf.capacity());

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

        System.out.println("put()：" + buf.position() + "\t" + buf.limit() + "\t" + buf.capacity());

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

        System.out.println("flip()：" + buf.position() + "\t" + buf.limit() + "\t" + 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()：" + buf.position() + "\t" + buf.limit() + "\t" + buf.capacity());

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

        System.out.println("rewind()：" + buf.position() + "\t" + buf.limit() + "\t" + buf.capacity());

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

        System.out.println("clear()：" + buf.position() + "\t" + buf.limit() + "\t" + buf.capacity());

        // 获取单个字符
        System.out.println((char) buf.get());
    }
}

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二、通道（Channel）

表示 IO 源与目标节点打开的连接，在 Java NIO 中负责缓冲区中数据的传输，类似于传统的“流”。只不过 Channel 本身不能直接访问数据，只能与 Buffer 进行交互。

/*
 * java.nio.channels.Channel 接口的主要实现类：
 *         |--FileChannel：用于读取、写入、映射和操作文件的通道。
 *         |--SocketChannel：通过 TCP 读写网络中的数据。
 *         |--DatagramChannel：通过 UDP 读写网络中的数据通道。
 *         |--ServerSocketChannel：可以监听新进来的 TCP 连接，对每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel。
 */

1.获取通道

/*
 * 获取通道的一种方式是对支持通道的对象调用 getChannel() 方法。
 * 支持通道的类如下：
 * 本地 IO：
 * |--FileInputStream
 * |--FileOutputStream
 * |--RandomAccessFile
 * 网络 IO：
 * |--Socket
 * |--ServerSocket
 * |--DatagramSocket
 *
 * 在 JDK 1.7 中， NIO.2 针对各个通道的实现类提供了静态方法 open() 来获取通道。
 * 在 JDK 1.7 中， NIO.2 的 Files 工具类的静态方法 newByteChannel() 也可以获取通道。
 */

2.通道数据传输

/*
 * 将 Buffer 中数据写入 Channel
 * int bytesWritten = inChannel,write(buf)
 * 从 Channel 读取数据到 Buffer
 * int bytesRead = inChannel.read(buf)
 * 
 * Channel 之间的数据传输（将数据从源通道传输到其他 Channel 中）
 * transferFrom()
 * transferTo()
 */

复制文件的几种方式

// 通道之间的数据传输(直接缓冲区)
@Test
public void channelCopy() throws IOException {
    FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("D:/123.txt"), StandardOpenOption.READ);
    FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("D:/456.txt"), 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 byteBuffCopy() {
    long start = System.currentTimeMillis();

    try (FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("D:/123.txt"), StandardOpenOption.READ);
         FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("D:/456.txt"), 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);
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }

    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 fileCopy() {
    long start = System.currentTimeMillis();

    try (FileInputStream fis = new FileInputStream("D:/123.txt");
         FileOutputStream fos = new FileOutputStream("D:/456.txt");
         // 获取通道
         FileChannel inChannel = fis.getChannel();
         FileChannel outChannel = fos.getChannel()) {

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

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

    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("Time：" + (end - start));
}

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3.分散(Scatter)与聚集(Gather)

分散读取（Scattering Reads）：从 Channel 中读取的数据“分散”到多个 Buffer 中。（按照缓冲区的顺序，从 Channel 中读取的数据依次将 Buffer 填满。）

聚集写入（Gathering Writes）：将多个 Buffer 中的数据“聚集”到 Channel。（按照缓冲区的顺序，写入 position 和 limit 之间的数据到 Channel 。）

使用分散和聚集来复制文件部分内容

// 分散和聚集
@Test
public void scatterAndGather() throws IOException {
    RandomAccessFile raf1 = new RandomAccessFile("D:/123.txt", "rw");

    // 获取通道
    FileChannel channel1 = raf1.getChannel();
    // 分配指定大小的缓冲区
    ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(100);
    ByteBuffer buf2 = ByteBuffer.allocate(1024);
    // 分散读取
    ByteBuffer[] bufs = {buf1, buf2};
    channel1.read(bufs);

    // 转换模式
    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()));

    // 聚集写入
    RandomAccessFile raf2 = new RandomAccessFile("D:/456.txt", "rw");
    FileChannel channel2 = raf2.getChannel();
    channel2.write(bufs);
}

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4.字符集

/*
 * 字符集：Charset
 * 编码：字符串 -> 字节数组
 * 解码：字节数组  -> 字符串
 */
@Test
public void testCharset() throws IOException {
    // 指定字符集
    Charset cs1 = Charset.forName("GBK");

    CharBuffer cBuf = CharBuffer.allocate(1024);
    cBuf.put("字符集");

    cBuf.flip();
    //获取编码器
    CharsetEncoder ce = cs1.newEncoder();
    //编码
    ByteBuffer bBuf = ce.encode(cBuf);
    System.out.println(Arrays.toString(bBuf.array()));


    bBuf.flip();
    //获取解码器
    CharsetDecoder cd = cs1.newDecoder();
    //解码
    cBuf = cd.decode(bBuf);
    System.out.println(cBuf.toString());
}

// Java 支持的字符集
@Test
public void getCharset() {
    Map<String, Charset> map = Charset.availableCharsets();
    for (Entry<String, Charset> entry : map.entrySet()) {
        System.out.println(entry.getKey() + "=" + entry.getValue());
    }
}