Java的IO和NIO

一、IO

java的IO功能都在java.io包下，包括输入输出两种IO流，每种输入输出流又可分为字节流和字符流两大类。字节流以字节（8位）为单位处理输入输出，字符流以字符（16位）为单位来处理输入输出。

1、流的分类

（1）输入输出流

    主要有InputStream和Reader作为基类，而输出流主要以OutputStream和Writer作为基类，都是抽象类。

（2）字节流和字符流

    字节流：InputStream，OutputStream

    字符流：Reader，Writer

（3）节点流和处理流

    节点流：可以直接从IO设备读取数据的流称为节点流，也称为低级流，比如FileInputStream和FileReader,程序可以直接连接到实际的数据源，构造方法是以物理IO节点作为构造参数的，如FileInputStream(String name);

    处理流：对一个已存在的流进行连接和封装，通过封装后的流来实现数据读写功能，也称为高级流，比如PrintStream；程序并不会直接连接到实际的数据源。程序可以采用完全相同的输入输出代码来访问不同的数据源，随着处理流所包装节点流的变化，程序实际访问的数据源也会相应的发生改变，这就是装饰者模式。处理流的构造方法的参数不是一个物理节点，而是已经存在的流,如PrintStream(OutputStream out)。

    使用处理流进行输入输出操作更简单，执行效率更高。

IO流的分类

    一般来说，字节流的功能比字符流的功能强大，因为计算机是里的数据都是二进制的，而字节流可以处理所有的二进制文件。

    如果输入输出的内容是文本内容，就使用字符流；如果输入输出的内容是二进制内容，就使用字节流。

二、NIO

NIO采用内存映射文件来处理输入输出，NIO将文件或文件的一段区域映射到内存中，这样就可以像访问内存一样来访问文件了。

Channel和Buffer是NIO的两个核心对象。Channel是对传统的输入输出系统的模拟，在NIO系统中所有的数据都需要通过通道传输。

Buffer可以被理解为一个容器，本质是一个数组，发送到Channel中所有的对象都必须首先放到Buffer中，从Channel中读取的数据也必须先放到Buffer中。

NIO还提供了用于将Unicode字符串映射成字节序列以及逆映射操作的Charset类，也提供了用于支持非阻塞式输入输出的Selector类，Selector是非阻塞的核心。

1、Buffer

容量（capacity）：表示Buffer的大小，创建后不能改变，

界限（limit）：第一个不能被读写的缓冲区的位置，也就是后面的数据不能被读写。

位置（position）：用于指明下一个可以被读写的缓冲区位置的索引，当从Channel读取数据的时候，position的值就等于读到了多少数据。

Buffer的类型有：ByteBuffer,CharBuffer,DoubleBuffer,FloatBuffer,IntBuffer,LongBuffer,ShortBuffer。

Buffer的使用步骤：

    将数据写入Buffer 中，调用Buffer.flip()方法，将NIO Buffer转换为读模式，从Buffer中读取数据，调用Buffer.clear()或者Buffer.compact()方法，将Buffer转换为写模式。

Buffer的作用主要是装入数据，然后输出数据，当装入数据结束时，调用flip()方法，该方法将limit设为position所在位置，将position设为0；输出数据后，调用clear()方法，将position的值设为0，limit设为capacity。

常用的Buffer是CharBuffer和ByteBuffer。使用get()和put()方法进行数据的放入和读取，分为相对和绝对两种：

    相对：从Buffer当前position位置开始读取或者写入数据，然后将position的值按处理元素的个数增加。

    绝对：直接根据索引向Buffer中读取和写入数据，使用绝对方式访问Buffer里的数据时，不会影响position的值。

通过Buffer.allocate()方法创建普通的Buffer，还可以通过allocateDirect()方法来创建直接Buffer，虽然创建成本高，但是读写快，因此试用于长期生存的Buffer。注意，只有ByteBuffer提供了此方法，其他类型想用，可以将该buffer转成其他类型的buffer。

Direct Buffer:

    所分配的内存不在JVM堆上，不受GC管理，但是Direct Buffer的Java对象是由GC管理的，因此发生GC，对象被回收时，Direct Buffer也会被释放。

    因为Direct Buffer不在JVM堆上分配，因此Direct Buffer对应程序的内存占用的影响就那么明显。

    申请和释放Direct Buffer的开销比较大，试用于长期生存的Buffer。

    使用Direct Buffer时，当进行一些底层的系统的IO操作时，效率会比较高，因为此时JVM不需要拷贝buffer中的内存到中间临时缓冲区。

Non-Direct Buffer

    直接在JVM堆上进行内存分配，本质上是byte[]数组的封装。

    因为Non-Direct Buffer在JVM堆中，因此当进行操作系统底层IO操作中，会将此buffer的内存复制到中间临时的缓存中，效率就比较低。

Buffer.rewind()方法可以重置position的值为0，因此我们可以重新读取/写入Buffer；rewind()主要针对读模式，在读模式时，读取到limit后，可以调用rewind()方法，将position置为0。

可以通过Buffer.mark()将当前的position的值保存起来，随后可以调用Buffer.reset()方法将position的值回复出来。

flip(),rewind(),clear()的区别

flip()源码：

flip()源码

       Buffer的读/写模式共用一个position和limit变量，当从写模式变为读模式时，原先的position就变成了读模式的limit。

rewind()源码：

rewind()源码

    这个方法仅仅是将position置为0。

clear()源码：

clear()源码

    将position设为0，将limit设为capacity；

    使用场景：在一个已经写满数据的buffer中，调用clear，可以从头读取buffer的数据；为了将一个buffer填充满数据，可以调用clear，然后一直写入，知道达到limit。

当两个Buffer是相同类型，两个Buffer的剩余的数据个数是相同的，两个Buffer的剩余数据都是相同的，那通过equals()或者compareTo()方法比较两个Buffer时，两个Buffer是相等的。

2、Channel

Channel类似传统的流对象，主要区别是：

    Channel可以直接将指定文件的部分或者全部直接映射成Buffer。

    程序不能直接访问Channel中的数据，只能通过Buffer交互。

    同一个Channel中可以执行读和写，但是一个流对象只支持读或写。

    Channel可以异步的读写，而流对象是阻塞的同步读写。

所有的Channel不应该通过构造器来创建，而是通过传统的InputStream，OutputStream的getChannel()方法来返回对应的Channel，不同节点流获取的Channel不一样。

Channle常用的方法有三类：map(),read(),write()。map()方法将Channel对应的部分或全部数据映射成ByteBuffer；read和write方法都有一系列的重载形势，这些方法用于Buffer中读取/写入数据。

3、Selector

Selector选择器类管理着一个被注册的Channel集合的信息和他们的就绪状态。Channel是和Selector一起被注册的，并且使用选择器来更新通道的就绪状态。利用Selector可使用一个单独的线程管理多个Channel。

当Channel使用register(Selector sel,int ops)方法将通道注册Selector时，Selector对Channel事件进行监听，通过第二个参数指定监听类型。可监听的事件类型包括：

    读：SelectionKey.OP_READ

    写：SelectionKey.OP_WRITE

    连接：SelectionKey.OP_CONNECT

    接收：SelectionKey.OP_ACCEPT

如果需要监听多个事件可以使用 | 操作符，int key = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE表示同时监听读和写操作。

创建Selector：

    Selector selector = Selector.open();

注册Channel到Selector：（如果一个Channel要注册到Selector中，那么这个Channle必须是非阻塞的，因此FileChannel是不能够使用Selector的，因为FileChannel都是阻塞的。）

    channel.configureBlocking(false);

    SelectionKey key = channel.register(selector,SelectionKet.OP_READ)；

一个Channel仅仅可以被注册到一个Selector一次，如果将Channel注册到Selector多次，那么其实就是相当于更新SelectionKey的interest set。

当我们注册一个Channle时，会返回一个SelectionKey对象，这个对象包含：

    interest set：

    ready set：

    channel，selector：

    attrached object（可选的附加对象）

    或者再注册时直接附加：

通过Selector选择Channel：

    可以通过Selector.select()方法获取对某事件准备好了的Channel，select()方法返回的值表示有多少个Channel可操作。

获取可操作性的Channel:

通过selected keySet访问Channle

    每次迭代时，都调用了keyIterator.remove()，将这个key从迭代器中删除，因为select()方法仅仅是简单的将就读的IO操作放到selectedKeys结合中。我们也可以动态更改SelectedKeys中的key的interest set。

Selector的基本流程：

    通过Selector.open()打开一个Selector；

    将Channel注册到Selector中，并设置需要监听的事件；

    不断重复：

        调用select(）方法，

        调用selector.selectedKeys()获取selected keys

        迭代每个selected key:

            从key中获取对应的channle和附加信息；

            判断哪些IO事件已经就绪，然后处理；如果是OP_ACCEPT事件，则调用SocketChannel clientChannel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept()，获取SocketChannle，并将它设置为非阻塞的，然后将这个Channle注册到Selector中；

            根据需要修改selected key的监听事件；

            将已经处理过的key从selected keys中移除。

关闭Selector：当调用Selector.close(）方法时，其实是关闭了Selector本身并且将selectionKey失效，但是并不会关闭Channel。

完整的示例

NIO完整示例

4、NIO和IO的区别

NIO是非阻塞的，IO是阻塞的。

NIO提供了Channels 和 Buffers，面向Buffer，通过Channel进行读写，NIO基于Channel和Buffer进行操作，数据总是从Channle读取到Buffer，或者从Buffer到Channle；而标准的IO基于字节流和字符流进行操作，没有缓存的地方。

NIO可以异步使用IO，例如：当线程从通道读取数据到缓冲区时，线程还是可以进行其他事情。当数据被写入到缓冲区时，线程可以继续处理它。从缓冲区写入通道也类似。NIO将阻塞交给了后台线程执行，NIO的空余时间可以用于其他通道上进行IO,因此一个线程可以管理多个Channel；而IO是阻塞的，阻塞式的IO每个链接必须开一个线程来处理，每个线程都需要CPU资源，等待IO的时候，CPU资源没有被释放就浪费了。

NIO支持Selctor，Selector允许一个单独的线程可以监听多个Channel，可以注册多个Channel到Selector，使用一个单独的线程来选择通道；这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道，但是付出的解析数据可能会 比一个阻塞流中读取数据更复杂。