缓冲区 Buffer

缓冲区是基本类型（除了 boolean 类型）的元素的线性序列，数据的读写都是对缓冲区的操作。以下缓冲区都是抽象类：

缓冲区除了放置基本元素，还有四个控制读写的属性：

capacity，缓冲区的总容量
limit，缓冲区内可以操作的数据的总量
position，当前读写的位置，默认是 0
mark，标记位置，用来多次读取数据时重置 position，默认是 -1

缓冲区通过这四个位置属性来控制读写，其中，它们是严格遵守 mark <= position <= limit <= capacity 的，并且 position >= 0。
缓冲区提供的方法，部分支持链式调用，如下：

创建缓冲区 ```java // 在 Java 堆内存中创建缓冲区 // 第一种：通过 allocate 静态方法创建空缓冲区，其中，capacity 会被初始化为指定大小，limit 初始化为 capacity 大小，position 初始化为 0，mark 未定义。每个位置的值都初始化为 0 final IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(100); // pos=0 lim=100 cap=100

// 第二种：通过 wrap 静态方法根据数组创建缓冲区，其中，capacity 和 limit 会初始化为数组大小，position 初始化为 0，mark 未定义。 final CharBuffer charBuffer = CharBuffer.wrap(new char[]{‘a’, ‘b’, ‘c’, ‘d’}); // pos=0 lim=4 cap=4

// 在本机内存直接创建缓冲区，在该缓冲区中，JVM 尽最大努力直接调用操作系统底层 IO 进行读写，而不复制到中间缓冲区。 // 第一种：通过 allocateDirect 静态方法直接创建空缓冲区 final ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(10); // pos=0 lim=10 cap=10

// 第二种：通过 FileChannel 的 map 方法将文件直接映射到内存区域 MappedByteBuffer

// 通过 asReadOnlyBuffer() 方法将缓冲区可以标记为只读缓冲区


-  读写缓冲区，当进行读写操作时，position 会往后移动直到最大为 limit。对缓冲区的读写都是按队列先进先出，是单向的。 
```java
// 通过 get() 方法及其重载方法读
get();
get(int[]);
// 通过 put() 方法及其重载方法写
intBuffer.put(1).put(2);
// 需要注意的是，对指定下标进行读写时，position 是不变的。
// 如果下标位置不可用，则会抛出 IndexOutOfBoundsException 异常；如果对只读缓冲区写入，会抛出 ReadOnlyBufferException 异常。比如:
intBuffer.get(5);
intBuffer.put(5, 1);

属性重置方法 ```java // 转为写模式（清空操作）：初始化缓冲区，将 position 置为 0，limit 置为 capacity，mark 置为 -1 intBuffer.clear();

// 转为读模式：将 position 置为 0，limit 置为 position，mark 置为 -1 intBuffer.flip();

// 倒带操作：将 position 置为 0，mark 置为 -1 intBuffer.rewind();


-  标记 / 重置缓冲区 
```java
// 标记当前位置，将 mark 置为 position
intBuffer.mark();
// 回到标记的位置，将 position 置为 mark
intBuffer.reset();
// 注意，一定先 mark 标记后才能 reset，否则会报 InvalidMarkException 异常，因为 mark 默认 -1

转换缓冲区
```
// ByteBuffer 提供了 asXXX 方法可以转换为 其它类型的缓冲区，如 asCharBuffer()
```
通道 Channel
通道是用来连接内存和磁盘文件（或外部设备、网络、程序）的。它主要有四个抽象类：

文件 IO 通道
文件通道 FileChannel 是用于读写、映射和操作文件的通道。有三个类提供了打开文件通道的 getChannel() 方法，分别是：
打开读取通道：FileInputStream
打开写入通道：FileOutputStream
打开随机访问通道：RandomAccessFile
- 根据随机访问文件的模式 Mode，可以指定是可读 r、可读写 rw、读写并将文件内容更改同步到磁盘 rwd、读写并将文件内容及元数据的更改同步到磁盘 rws。

FileChannel 类本身提供了 open(Path path, OpenOption... options) 方法根据文件 Path 打开一个文件通道，使用 options 指定文件通道类型。
FileChannel 提供的方法如下：

传统文件读写

从文件读出数据并读入缓冲区 read(ByteBuffer dst)

从缓冲区读出数据并写入文件 write(ByteBuffer src)
使用通道和缓冲区进行一次文件传统读写的示例如下：

final FileChannel inChannel = new FileInputStream("test.txt").getChannel();
final FileChannel outChannel = new FileOutputStream("task.txt").getChannel();
final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
while (inChannel.read(buffer) != -1) {
buffer.flip(); // 初始化为读模式
outChannel.write(buffer);
buffer.clear(); // 初始化为写模式
}
buffer.clear();
inChannel.close();

基于 sendfile 系统调用的文件拷贝
- 将当前通道内的文件写入目的通道 transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)
- 将源通道的数据读入当前文件通道 transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)
基于 mmap 内存映射的文件拷贝
- map(MapMode mode, long position, long size) 方法将文件从 position 位置开始的 size 大小的块映射为内存区域。适用于大文件读操作，如 MD5 校验。
  网络 IO 通道
  通过上面的 Channel 继承类图我们可以看到，DatagramChannel、SocketChannel 和 ServerSocketChannel 都继承了 SelectableChannel，这三个通道同时也实现了 NetworkChannel 接口，所以说网络 IO 就是依靠这三个通道通信。它们是：
用于 UDP 网络 IO 的数据报通道 DatagramChannel
用于 TCP 网络 IO 的面向流的客户端通道 SocketChannel 和面向流的服务端通道 ServerSocketChannel

打开网络 IO 通道的方式有：

通道的 open() 方法
SelectorProvider 类提供的静态方法，它等同于通道的 open() 方法
- openDatagramChannel()
- openSocketChannel()
- openServerSocketChannel()
传统流的 getChannel() 方法
- DatagramSocket #getChannel()
- Socket #getChannel()
- ServerSocket #getChannel()

SelectableChannel 抽象类提供了 configureBlocking(boolean block) 方法开启非阻塞模式，使用非阻塞的多路复用更有效（需要在注册之前开启）。
关闭通道使用 close() 方法，关闭后不能操作，否则会抛异常 ClosedChannelException。

选择器 Selector

选择器 Selector 是 SelectableChannel 的多路复用器，也就是说选择器 Selector 只用于以上三种网络通信。如何使用选择器呢？
1、首先，开启一个选择器
有两种方式：

Selector 类的静态方法 open()
SelectorProvider 类实例的 openSelector() 方法

2、将通道注册到选择器上
SelectableChannel 抽象类提供了 register(Selector sel, int ops, Object att) 方法将通道注册到选择器上，该注册方法需要提供要注册的选择器、目标操作、和一个附加对象（可为 null）。其中，目标操作 ops 主要有四类：

SelectionKey.OP_READ，通道已准备好进行读取
SelectionKey.OP_WRITE，通道已准备好进行写入
SelectionKey.OP_CONNECT，通道已准备好进行连接
SelectionKey.OP_ACCEPT，通道已准备好接受其它连接

3、选择器轮询，获取满足目标操作的 SelectionKey 的合集
调用 Selector 的 selectedKeys()方法可以获得已就绪的通道的 SelectionKey 集合。
Selector 选择器持有代表已注册通道的选择键 SelectionKey 的三种集合，并提供方法来获取：

keys set ：所有 SelectionKey 的集合，只有键失效和通道关闭才会从此集合删除，通过 keys() 方法获取
selected-key set ：检测就绪的 SelectionKey 的集合，通过 selectedKeys() 方法获取
cancelled-key set ：SelectionKey 已取消但是对应的通道未关闭的 SelectionKey 的集合，无法获取

4、通过 SelectionKey 获得对应的通道，进行 IO 操作
register 注册方法会返回注册好的 SelectionKey 对象，该对象有以下方法来探测通道及状态：

获取通道 channel()
对应通道是否可读 isReadable()
对应通道是否可写 isWritable()
对应通道是否已连接 isConnectable()
对应通道是否准备好接受新的 socket 连接 isAcceptable()

IO 多路复用当已注册的通道满足目标操作时，Selector 选择器通过轮询会获得目标操作的 SelectionKey 选择键集合，通过选择键就可以获得对应的通道，进而执行通道的 IO 操作。

管道 Pipe

传统 IO 中使用管道流进行线程之间的 IO 通信，Java New IO 提供了 Pipe 类进行线程间的通信。
Pipe 管道提供了一对单向的通道，一个是可写的 Pipe.SinkChannel 通道，一个是可读的 Pipe.SourceChannel 通道。
创建一个管道使用 open() 方法，获取通道通过管道实例的 sink() 方法和 source() 方法。

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Java New IO 类库

缓冲区 Buffer

通道 Channel

文件 IO 通道

网络 IO 通道

选择器 Selector

管道 Pipe