NIO的Buffer&Channel&Selector

Stella981
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java的NIO和AIO

Buffer

  • position、limit、capacity
  • 初始化 Buffer
  • 填充 Buffer
  • 提取 Buffer 中的值
  • mark() & reset()
  • rewind() & clear() & compact()

Channel

  • FileChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel
  • DatagramChannel

Selector

Buffer

一个 Buffer 本质上是内存中的一块,我们可以将数据写入这块内存,之后从这块内存获取数据。

java.nio 定义了以下几个 Buffer 的实现,其实核心是最后的 ByteBuffer,其他实现类只是包装了一下它而已,我们使用最多的通常也是 ByteBuffer。

NIO的Buffer&Channel&Selector

可以将 Buffer 理解为一个数组,IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分别对应 int[]、char[]、double[] 等。

position、limit、capacity

Buffer 中也有几个重要属性:position、limit、capacity。

capacity,它代表这个缓冲区的容量,一旦设定就不可以更改。比如 capacity 为 1024 的 IntBuffer,代表其一次可以存放 1024 个 int 类型的值。一旦 Buffer 的容量达到 capacity,需要清空 Buffer,才能重新写入值。

position 和 limit 是变化的,我们分别看下读和写操作下,它们是如何变化的。

position 的初始值是 0,每往 Buffer 中写入一个值,position 就自动加 1,代表下一次的写入位置。读操作的时候也是类似的,每读一个值,position 就自动加 1。

从写操作模式到读操作模式切换的时候(flip),position 都会归零,这样就可以从头开始读写了。

limit:写操作模式下,limit 代表的是最大能写入的数据,这个时候 limit 等于 capacity。写结束后,切换到读模式,此时的 limit 等于 Buffer 中实际的数据大小,因为 Buffer 不一定被写满了。

切换模式

调用 Buffer 的 flip() 方法,可以进行模式切换。其实这个方法也就是设置了一下 position 和 limit 值。

public final Buffer flip() {
    limit = position; // 将 limit 设置为实际写入的数据数量
    position = 0; // 重置 position 为 0
    mark = -1; // mark 之后再说
    return this;
}

初始化 Buffer

每个 Buffer 实现类都提供了一个静态方法 allocate(int capacity) 帮助我们快速实例化一个 Buffer。另外经常使用 wrap 方法来初始化一个 Buffer。

ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
IntBuffer intBuf = IntBuffer.allocate(1024);
LongBuffer longBuf = LongBuffer.allocate(1024);
public static ByteBuffer wrap(byte[] array) {
    ...
}

填充 Buffer

put 方法:各个 Buffer 类都提供了一些 put 方法用于将数据填充到 Buffer 中,这些方法需要自己控制 Buffer 大小,不能超过 capacity,超过会抛 java.nio.BufferOverflowException 异常。

通过Channel填充:int num = channel.read(buf);将 Channel 的数据填充到 Buffer 中。在系统层面上,这个操作我们称为读操作,因为数据是从外部(文件或网络等)读到内存中。

提取 Buffer 中的值

get 方法:读操作提供了一系列的 get 方法。

通过Channel读取:int num = channel.write(buf);将buf的内容写入channel。

mark() & reset()

mark 用于临时保存 position 的值,每次调用 mark() 方法都会将 mark 设值为当前的 position,便于后续需要的时候使用。

考虑以下场景,我们在 position 为 5 的时候,先 mark() 一下,然后继续往下读,读到第 10 的时候,我想重新回到 position 为 5 的地方重新来一遍,那只要调一下 reset() 方法,position 就回到 5 了。

rewind() & clear() & compact()

rewind():会重置 position 为 0,通常用于重新从头读写 Buffer。

clear():有点重置 Buffer 的意思,相当于重新实例化了一样。不会将 Buffer 中的数据清空,只不过后续的写入会覆盖掉原来的数据,也就相当于清空了数据了。

compact():和 clear() 一样的是,它们都是在准备往 Buffer 填充新的数据之前调用。先处理还没有读取的数据,也就是 position 到 limit 之间的数据(还没有读过的数据),先将这些数据移到左边,然后在这个基础上再开始写入。很明显写入模式下,此时 limit 还是等于 capacity,position 指向原来数据的右边。

public final Buffer clear() {
        position = 0;
        limit = capacity;
        mark = -1;
        return this;
    }

    public ByteBuffer compact() {

        int pos = position();
        int lim = limit();
        assert (pos <= lim);
        int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);  //position 到 limit 之间的数据

        unsafe.copyMemory(ix(pos), ix(0), (long)rem << 0); //移到左边
        position(rem);
        limit(capacity());
        discardMark();
        return this;

    }

Channel

所有的 NIO 操作始于通道,通道是数据来源或数据写入的目的地。

NIO的Buffer&Channel&Selector

  • FileChannel:文件通道,用于文件的读和写
  • DatagramChannel:用于 UDP 连接的接收和发送
  • SocketChannel:把它理解为 TCP 连接通道,简单理解就是 TCP 客户端
  • ServerSocketChannel:TCP 对应的服务端,用于监听某个端口进来的请求

Channel 经常翻译为通道,类似 IO 中的流,用于读取和写入。它与前面介绍的 Buffer 打交道。

读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中,而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。

FileChannel

FileChannel 是不支持非阻塞的。

// 读取
FileInputStream inputStream = new FileInputStream(new File("/data.txt"));
FileChannel fileChannel = inputStream.getChannel();

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int num = fileChannel.read(buffer);

// 写入
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("随机写入一些内容到 Buffer 中".getBytes());
// Buffer 切换为读模式
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()) {
    // 将 Buffer 中的内容写入文件
    fileChannel.write(buffer);
}

SocketChannel

SocketChannel 是 TCP 客户端,它代表的是一个网络通道,可读可写。

//打开一个 TCP 连接:
// 打开一个通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 发起连接
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("https://www.baidu.com", 80));

// 读取数据
socketChannel.read(buffer);

// 写入数据到网络连接中
while(buffer.hasRemaining()) {
    socketChannel.write(buffer);   
}

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 就是对应的服务端。ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了,因为它并不实际处理数据,它一旦接收到请求后,实例化 SocketChannel,之后在这个连接通道上的数据传递它就不管了,因为它需要继续监听端口,等待下一个连接。

ServerSocketChannel 用于监听机器端口,管理从这个端口进来的 TCP 连接。

// 实例化
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 监听 8080 端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));

while (true) {
    // 一旦有一个 TCP 连接进来,就对应创建一个 SocketChannel 进行处理
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}

DatagramChannel

UDP 和 TCP 不一样,DatagramChannel 一个类处理了服务端和客户端。

UDP 是面向无连接的,不需要和对方握手,不需要通知对方,就可以直接将数据包投出去,至于能不能送达,它是不知道的。

//监听端口
DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();

channel.receive(buf);

//发送数据
String newData = "New String to write to file..."
                    + System.currentTimeMillis();

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();

int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("localhost.com", 80));

Selector

Selector 建立在非阻塞的基础之上,多路复用指的就是它,用于实现一个线程管理多个 Channel。

//开启一个 Selector  多路复用器
Selector selector = Selector.open();

//将 Channel 注册到 Selector 上, 注册到 Selector 的 Channel 必须要支持非阻塞模式.FileChannel 不支持非阻塞,最常见的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。
// 将通道设置为非阻塞模式,因为默认都是阻塞模式的
channel.configureBlocking(false);
// 注册
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
//注册方法返回值是 SelectionKey 实例,它包含了 Channel 和 Selector 信息,也包括了一个叫做 Interest Set 的信息,即我们设置的我们感兴趣的正在监听的事件集合。
//监听感兴趣的事件,可以同时监听一个 Channel 中的发生的多个事件,共以下四种事件:
//        SelectionKey.OP_READ
//        SelectionKey.OP_WRITE
//        SelectionKey.OP_CONNECT
//        SelectionKey.OP_ACCEPT

//调用 select() 方法获取通道信息。用于判断是否有我们感兴趣的事件已经发生了。
while(true) {
  // 判断是否有事件准备好
  int readyChannels = selector.select();
  if(readyChannels == 0) continue;

  // 遍历
  Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
  Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
  while(keyIterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();

    if(key.isAcceptable()) {
        // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.

    } else if (key.isConnectable()) {
        // a connection was established with a remote server.

    } else if (key.isReadable()) {
        // a channel is ready for reading

    } else if (key.isWritable()) {
        // a channel is ready for writing
    }

    keyIterator.remove();
  }
}
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