Java NIO 简介

Java NIO（New IO）是从 Java 1.4 版本开始引入的一个新的 IO API，可以替代标准的 Java IO API。NIO 与原来的 IO 有同样的作用和目的，但是使用的方式完全不同，NIO支持面向缓冲区的、基于通道的 IO 操作。NIO 将以更加高效的方式进行文件的读写操作。

Java NIO 与 IO 的主要区别

image.png

通道（Channel）与缓冲区（Buffer）

Java NIO 系统的核心在于：通道（Channel）和缓冲区（Buffer）。通道表示打开到 IO 设备（例如：文件、套接字）的连接。若需要使用 NIO 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。

举个例子，通道就像铁路，而缓冲区就像火车，铁路本身不能运输数据，火车才可以运输。

缓冲区（Buffer）

一个用于特定基本数据类型的容器。由 java.nio 包定义的，所有缓冲区都是 Buffer 抽象类的子类。

Java NIO 中的 Buffer 主要用于与 NIO 通道进行交互，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入通道中的。

Buffer 就像一个数组，可以保存多个相同类型的数据。根据数据类型不同（boolean 除外），有以下 Buffer 常用子类：

• ByteBuffer
• CharBuffer
• ShortBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer

上述 Buffer 类 他们都采用相似的方法进行管理数据，只是各自管理的数据类型不同而已。都是通过如下方法获取一个 Buffer 对象：

static XxxBuffer allocate(int capacity) : 创建一个容量为 capacity 的 XxxBuffer 对象

缓冲区的基本属性

• 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。

• 限制 (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。（可以操作数据的大小）

• 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，并且不能大于其限制。

  通过下面的代码可以更好的理解 capacity、limit、以及 position：

  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，数据还在，但是指针位置变了
  buf.clear();
  
  System.out.println("-----------------clear()----------------");
  System.out.println(buf.position());
  System.out.println(buf.limit());
  System.out.println(buf.capacity());
  
  // 所以这里还是能取得到数据的
  System.out.println((char) buf.get());
  

  image.png

  运行结果：

  -----------------allocate()----------------
  0
  1024
  1024
  -----------------put()----------------
  5
  1024
  1024
  -----------------flip()----------------
  0
  5
  1024
  abcde
  -----------------get()----------------
  5
  5
  1024
  -----------------rewind()----------------
  0
  5
  1024
  -----------------clear()----------------
  0
  1024
  1024
  a
  

• 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，表示记录当前 position 的位置。可以通过 reset() 恢复到 mark 的位置）。

  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());
  System.out.println("--------------");
  
  // mark() : 标记
  buf.mark();
  
  buf.get(dst, 2, 2);
  System.out.println(new String(dst, 2, 2));
  System.out.println(buf.position());
  
  System.out.println("--------------");
  
  // 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());
  }
  

  标记、位置、限制、容量遵守以下不变式： 0 <= mark <= position <= limit <= capacity

缓冲区的数据操作

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

• 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)

Buffer 的常用方法

image.png

通道（Channel）

由 java.nio.channels 包定义的。Channel 表示 IO 源与目标打开的连接。Channel 类似于传统的“流”。只不过 Channel 本身不能直接访问数据，Channel 只能与 Buffer 进行交互。

Java 为 Channel 接口提供的最主要实现类如下：

• FileChannel：用于读取、写入、映射和操作文件的通道。
• DatagramChannel：通过 UDP 读写网络中的数据通道。
• SocketChannel：通过 TCP 读写网络中的数据。
• 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。

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：

• FileInputStream
• FileOutputStream
• RandomAccessFile
• DatagramSocket
• Socket
• ServerSocket

获取通道的其他方式是使用 Files 类的静态方法 newByteChannel() 获取字节通道。或者通过通道的静态方法 open() 打开并返回指定通道。

通道的数据传输

非直接缓冲区

// 文件的复制
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("1.jpg");
FileChannel inputStreamChannel = fileInputStream.getChannel();

FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("2.jpg");
FileChannel outputStreamChannel = fileOutputStream.getChannel();

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 将通道数据存入缓冲区
while (inputStreamChannel.read(buffer)!=-1){
        buffer.flip();
        outputStreamChannel.write(buffer);
        buffer.clear();
}

直接缓冲区

// 直接缓冲区
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);

通道之间的数据传输

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());

分散（Scatter）和聚集（Gather）

分散读取（Scattering Reads）是指从 Channel 中读取的数据“分散”到多个 Buffer 中。

image.png

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）是指将多个 Buffer 中的数据“聚集”到 Channel。

image.png

注意：按照缓冲区的顺序，写入 position 和 limit 之间的数据到 Channel 。