一、概述
二、通道和缓冲区
- 缓冲区
  - 缓冲区内部细节
    - 状态变量
    - flip
  - 高级知识
- 通道
三、管道
四、Selector
五、总结

一、概述

JDK 1.4 之前，Java 对 I/O 的支持并不完善，开发人员在开发高性能 I/O 程序时，会面临一些巨大的挑战和困难。

没有数据缓冲区，I/O 性能存在问题。
没有 C 或 C++ 中的 Channel 概念，只有输入和输出流。
同步阻塞式 I/O 通信（BIO），通常会导致通信线程被长时间阻塞。
支持的字符集有限，硬件可移植性不好。

JDK 1.4 版本提供了新的 NIO，开始支持非阻塞 I/O。

进行异步 I/O 操作的缓冲区，Buffer等。
进行异步 I/O 操作的管道，Pipe。
进行各种 I/O 操作（异步或同步），Channel。
多种字符集的编码能力和解码能力。
实现非阻塞 I/O 操作的多路复用器，selector。
基于流行的Perl实现的正则表达式类库。
文件通道，FileChannel。

JDK 1.7 将原来的 NIO 类库进行升级，称为 NIO 2.0，由 JSR-203演进而来。

提供能够指获取文件属性的 API，与平台无关，不与特性的文件系统相耦合，提供了标准文件系统 SPI。
提供 AIO 功能，支持基于文件的异步 I/O 操作和针对网络套接字的异步操作。
完成 JSR-51定义的通道功能，包括对配置和多播数据报的支持。

NIO 的创建目的是为了让 Java 程序员可以实现高速 I/O 而无需编写自定义的本机代码，将最耗时的操作（即填充和提取缓冲区）转移回操作系统内核，因而可以极大地提高速度。
原来的 I/O 是以流的方式处理数据，效率很低。而 NIO 以块的方式处理数据，效率很高。因此，旧有的 java.io.* 以 NIO 为基础重新实现，它可以利用 NIO 的一些特性提高性能。

二、通道和缓冲区

通道和 缓冲区 是 NIO 中的核心对象，几乎在每一个 I/O 操作中都要使用它们。

缓冲区

缓冲区 Buffer 是一个对象，本质是一个数组。它包含一些要写入或刚读出的数据。在 NIO 库中，所有数据都是用 Buffer 处理。写入数据是写到 Buffer 中，读取也是从 Buffer 对象中读入。

Buffer 继承体系
基本数据类型除了 Boolean 外，都有对应的 Buffer。而最常用的是 ByteBuffer，因为大多数标准 I/O 操作都使用 ByteBuffer ，所以它喝的所有共享的缓冲区操作以及一些特有操作。

缓冲区内部细节

状态变量

**capacity**
- 可以储存在缓冲区中的最大数据容量，实际上是底层数组的大小。
**position**
- 写模式，当前写位置序号，初始序号为 0，根据数据类型移动对应步长。最大值为 capacity-1。
- 读模式，通过 flip() 将 position 置为0，并根据数据类型移动对应步长，指向下一个可读序号。
**limit**
- 写模式，表示你能往 Buffer 中写入多少数据，其值等于 capacity。
- 读模式，表示你能从 Buffer 中读取多少数据，当切换为读模式时，其值为写模式下的 position 的值。
  flip
  这是一个重要的方法，很多人在使用 Buffer 时都会忘记调用该方法复原指针位置，而导致程序数据出错。它做了两件重要的事情:

将 _limit_ 设置为当前的 **_position_**。
将 position 设置为 0。

Buffer 相关操作示意图

Buffer 相关 API

高级知识

分配&包装

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );
byte array[] = new byte[1024];
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap( array );

分片

buffer.position( 3 );
buffer.limit( 7 );
ByteBuffer slice = buffer.slice();

分片对于促进抽象非常有帮助，你编写的接口只需要对传入的 ByteBuffer操作即可，不需要考虑边界情况。

直接缓冲区 & 间接缓冲区

直接缓冲区 是为加快 I/O 速度，而以一种特殊的方式分配其内存的缓冲区。
实际上，直接缓冲区的准确定义是与实现相关的。

给定一个直接字节缓冲区，Java 虚拟机将尽最大努力直接对它执行本机 I/O 操作。也就是说，它会在每一次调用底层操作系统的本机 I/O 操作之前(或之后)，尝试避免将缓冲区的内容拷贝到一个中间缓冲区中(或者从一个中间缓冲区中拷贝数据)。

// 大端，
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect( 1024 );

分散 & 聚集

分散 & 聚集 I/O 对于将数据划分为几个部分很有用。

通道

通道是对原 I/O 包中的流的模拟，到任何目的地（或来自任何地方）的所有数据都必须经过一个 Channel 对象。通道不提供存储空间，所有的 I/O 读取/写入数据目的地都是 Buffer 对象。你可以通过 Channel 来读取/写入 Buffer 对象内的数据。
通道与流的不同之处在于通道是双向的。而流只能在一个方向上移动。而通道可用于读/写/同时读写操作。因此，使用通道能更好的反映底层操作系统的真实情况。特别是在 UNIX 模型中，底层操作系统通道是双向的。

Channel 通道体系结构

FileChannel

package network;
import java.io.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;
public class CopyFile {
    static public void main(String args[]) throws Exception {
        String infile = "src/main/resources/hello.txt";
        String outfile = "src/main/resources/hello_copy.txt";
        FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
        FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);
        FileChannel fcin = fin.getChannel();
        FileChannel fcout = fout.getChannel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        // 对于文件通道，-1 表示已讲到文件末尾
        while (fcin.read(buffer) != -1) {
            buffer.flip();
            fcout.write(buffer);
            buffer.clear();
        }
        fcout.close();
        fcin.close();
        fin.close();
        fout.close();
    }
}

SocketChannel

Java NIO 中的 SocketChannel 是一个连接到 TCP 网络套接字的通道。可以通过以下两种方式创建 SocketChannel:
- 手动创建 ```java // 创建 SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); socketChannel.connect(new InetSocketAddress(“http://helloworld.com“, 80));

// 配置非阻塞模式 socketChannel.configureBlocking(false); // 使用非阻塞模式，connect()方法会立即返回，甚至在建立连接之前返回，在等待操作系统结束连接时， // 程序可以进行其他操作，但是，在程序实际使用连接之前，必须调用 finishConnect(); finishConnect();

// 如果想检查连接是否完成，可以调用下面两个方法 public abstract boolean isConnected(); public abstract boolean isConnectionPending();

// 关闭（关闭动作很重要，对于套接字而言，关闭会完成 TCP 三次握手动作，所以别忘记关闭了） socketChannel.close();


   - **一个新连接到达 `ServerSocketChannel` 时会自动创建一个 `SocketChannel`。**
- 一般是在客户端主动创建，当连接到达服务端，服务端的 `ServerSocketChannel#accept()` 方法会创建一个 `SocketChannel` 表示新连接通道。
<a name="obihe"></a>
### ServerSocketChannel
- Java NIO 中的 `ServerSocketChannel` 是一个可以监听新进来的 TCP 连接的通道，它只有一个目的: **接受入站连接。**
- 当一个新连接到达时，也由它创建一个新的 `SocketChannel` 。
```java
// 创建通道，这个方法名具有一定欺骗性，并非打开一个新的报备器 Socket，而是只创建该对象
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 通过 socket() 方法获得对应的对等端 ServerSocket，使用 ServerSocket的各种设置方法配置选项
ServerSocket socket = serverSocketChannel.socket();
SocketAddress address = new InetSocketAddress(80);
socket.bind(address);
// 配置非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 监听新到达的连接
while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    //do something with socketChannel...
}
// 关闭
serverSocketChannel.close();

使用步骤
- 创建服务器 Socket 通道。
- DatagramChannel
  Java NIO 中的 DatagramChannel 是一个能收发UDP包的通道。因为 UDP 是无连接的网络协议，所以不能像其它通道那样读取和写入。它发送和接收的是数据包。

小结

三、管道

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。

相关 API

// 创建管道
Pipe pipe = Pipe.open();

// 向管道写数据
// 获取Sink通道
Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();
// 调用 SinkChannel#write() 方法，将数据写入 SinkChannel
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put("hello".getBytes());
buf.flip();
sinkChannel.write(buf);

// 从管道中读取数据
Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = sourceChannel.read(buf);

四、Selector

对于 ServerSocketChannel 而言，唯一关心的操作是 OP_ACCEPT，向 Selector

五、总结
NIO 允许你仅用一个（或几个）线程管理多个通道（SocketChannel 或 FileChannel），但成本是解析数据可能比阻塞 I/O 复杂一些。
如果你需要同时管理上千个连接，且每个连接只发送一点点数据，比如聊天服务器，那么使用 NIO 则可能是一个优势。
如果你的连接较少，带宽非常高，一次发送大量数据，也许典型的 I/O 服务器实现可能是最适合的。

04_Java核心技术

Java网络编程之NIO