緩沖區(qū) Buffer

Buffer 是一個數(shù)據(jù)對象，我們可以把它理解為固定數(shù)量的數(shù)據(jù)的容器，它包含一些要寫入或者讀出的數(shù)據(jù)。

在 Java NIO 中，任何時候訪問 NIO 中的數(shù)據(jù)，都需要通過緩沖區(qū)（Buffer）進行操作。讀取數(shù)據(jù)時，直接從緩沖區(qū)中讀取，寫入數(shù)據(jù)時，寫入至緩沖區(qū)。NIO 最常用的緩沖區(qū)則是 ByteBuffer。下圖是 Buffer 繼承關系圖：

每一個 Java 基本類型都對應著一種 Buffer，他們都包含這相同的操作，只不過是所處理的數(shù)據(jù)類型不同而已。

通道 Channel

Channel 是一個通道，它就像自來水管一樣，網絡數(shù)據(jù)通過 Channel 這根水管讀取和寫入。傳統(tǒng)的 IO 是基于流進行操作的，Channle 和類似，但又有些不同：

區(qū)別	流	通過Channel
支持異步	不支持	支持
是否可雙向傳輸數(shù)據(jù)	不能，只能單向	可以，既可以從通道讀取數(shù)據(jù)，也可以向通道寫入數(shù)據(jù)
是否結合 Buffer 使用	不	必須結合 Buffer 使用
性能	較低	較高

正如上面說到的，Channel 必須要配合 Buffer 一起使用，我們永遠不可能將數(shù)據(jù)直接寫入到 Channel 中，同樣也不可能直接從 Channel 中讀取數(shù)據(jù)。都是通過從 Channel 讀取數(shù)據(jù)到 Buffer 中或者從 Buffer 寫入數(shù)據(jù)到 Channel 中，如下：

簡單點說，Channel 是數(shù)據(jù)的源頭或者數(shù)據(jù)的目的地，用于向 buffer 提供數(shù)據(jù)或者讀取 buffer 數(shù)據(jù)，并且對 I/O 提供異步支持。

下圖是 Channel 的類圖

Channel 為最頂層接口，所有子 Channel 都實現(xiàn)了該接口，它主要用于 I/O 操作的連接。定義如下：

public interface Channel extends Closeable {

    /**

     * 判斷此通道是否處于打開狀態(tài)。

     */

    public boolean isOpen();

    /**

     *關閉此通道。

     */

    public void close() throws IOException;
}

最為重要的Channel實現(xiàn)類為：

FileChannel：一個用來寫、讀、映射和操作文件的通道
DatagramChannel：能通過 UDP 讀寫網絡中的數(shù)據(jù)
SocketChannel: 能通過 TCP 讀寫網絡中的數(shù)據(jù)
ServerSocketChannel：可以監(jiān)聽新進來的 TCP 連接，像 Web 服務器那樣。對每一個新進來的連接都會創(chuàng)建一個 SocketChannel

多路復用器 Selector

多路復用器 Selector，它是 Java NIO 編程的基礎，它提供了選擇已經就緒的任務的能力。從底層來看，Selector 提供了詢問通道是否已經準備好執(zhí)行每個 I/O 操作的能力。簡單來講，Selector 會不斷地輪詢注冊在其上的 Channel，如果某個 Channel 上面發(fā)生了讀或者寫事件，這個 Channel 就處于就緒狀態(tài)，會被 Selector 輪詢出來，然后通過 SelectionKey 可以獲取就緒 Channel 的集合，進行后續(xù)的 I/O 操作。

Selector 允許一個線程處理多個 Channel ，也就是說只要一個線程復雜 Selector 的輪詢，就可以處理成千上萬個 Channel ，相比于多線程來處理勢必會減少線程的上下文切換問題。下圖是一個 Selector 連接三個 Channel ：

實例

服務端

public class NIOServer {
    /*接受數(shù)據(jù)緩沖區(qū)*/

    private ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    /*發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)*/

    private  ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    private Selector selector;

    public NIOServer(int port) throws IOException {

        // 打開服務器套接字通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        // 服務器配置為非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        // 檢索與此通道關聯(lián)的服務器套接字
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();

        // 進行服務的綁定
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port));

        // 通過open()方法找到Selector
        selector = Selector.open();

        // 注冊到selector，等待連接
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        System.out.println("Server Start----:");

    }

    private void listen() throws IOException {

        while (true) {

            selector.select();

            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();

            while (iterator.hasNext()) {

                SelectionKey selectionKey = iterator.next();

                iterator.remove();

                handleKey(selectionKey);

            }

        }

    }

    private void handleKey(SelectionKey selectionKey) throws IOException {

        // 接受請求
        ServerSocketChannel server = null;

        SocketChannel client = null;

        String receiveText;

        String sendText;

        int count=0;

        // 測試此鍵的通道是否已準備好接受新的套接字連接。
        if (selectionKey.isAcceptable()) {

            // 返回為之創(chuàng)建此鍵的通道。
            server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();

            // 接受到此通道套接字的連接。
            // 此方法返回的套接字通道（如果有）將處于阻塞模式。
            client = server.accept();

            // 配置為非阻塞
            client.configureBlocking(false);

            // 注冊到selector，等待連接
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

        } else if (selectionKey.isReadable()) {

            // 返回為之創(chuàng)建此鍵的通道。
            client = (SocketChannel) selectionKey.channel();

            //將緩沖區(qū)清空以備下次讀取
            receivebuffer.clear();

            //讀取服務器發(fā)送來的數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)中
            count = client.read(receivebuffer);

            if (count > 0) {

                receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count);

                System.out.println("服務器端接受客戶端數(shù)據(jù)--:"+receiveText);

                client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);

            }

        } else if (selectionKey.isWritable()) {

            //將緩沖區(qū)清空以備下次寫入
            sendbuffer.clear();

            // 返回為之創(chuàng)建此鍵的通道。
            client = (SocketChannel) selectionKey.channel();

            sendText="message from server--";

            //向緩沖區(qū)中輸入數(shù)據(jù)
            sendbuffer.put(sendText.getBytes());

            //將緩沖區(qū)各標志復位,因為向里面put了數(shù)據(jù)標志被改變要想從中讀取數(shù)據(jù)發(fā)向服務器,就要復位
            sendbuffer.flip();

            //輸出到通道
            client.write(sendbuffer);

            System.out.println("服務器端向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)--："+sendText);

            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

        }

    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        int port = 8080;

        NIOServer server = new NIOServer(port);

        server.listen();

    }

}

客戶端

public class NIOClient {
    /*接受數(shù)據(jù)緩沖區(qū)*/
    private static ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    /*發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)*/
    private static ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        // 打開socket通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();

        // 設置為非阻塞方式
        socketChannel.configureBlocking(false);

        // 打開選擇器
        Selector selector = Selector.open();

        // 注冊連接服務端socket動作
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);

        // 連接

        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));

        Set<SelectionKey> selectionKeys;

        Iterator<SelectionKey> iterator;

        SelectionKey selectionKey;

        SocketChannel client;

        String receiveText;

        String sendText;

        int count=0;

        while (true) {

            //選擇一組鍵，其相應的通道已為 I/O 操作準備就緒。
            //此方法執(zhí)行處于阻塞模式的選擇操作。
            selector.select();

            //返回此選擇器的已選擇鍵集。
            selectionKeys = selector.selectedKeys();

            //System.out.println(selectionKeys.size());
            iterator = selectionKeys.iterator();

            while (iterator.hasNext()) {

                selectionKey = iterator.next();

                if (selectionKey.isConnectable()) {

                    System.out.println("client connect");

                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();

                    // 判斷此通道上是否正在進行連接操作。
                    // 完成套接字通道的連接過程。
                    if (client.isConnectionPending()) {

                        client.finishConnect();

                        System.out.println("完成連接!");

                        sendbuffer.clear();

                        sendbuffer.put("Hello,Server".getBytes());

                        sendbuffer.flip();

                        client.write(sendbuffer);

                    }

                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                } else if (selectionKey.isReadable()) {

                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();

                    //將緩沖區(qū)清空以備下次讀取
                    receivebuffer.clear();

                    //讀取服務器發(fā)送來的數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)中
                    count=client.read(receivebuffer);

                    if(count>0){

                        receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count);

                        System.out.println("客戶端接受服務器端數(shù)據(jù)--:"+receiveText);

                        client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);

                    }

                } else if (selectionKey.isWritable()) {

                    sendbuffer.clear();

                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();

                    sendText = "message from client--";

                    sendbuffer.put(sendText.getBytes());

                    //將緩沖區(qū)各標志復位,因為向里面put了數(shù)據(jù)標志被改變要想從中讀取數(shù)據(jù)發(fā)向服務器,就要復位
                    sendbuffer.flip();

                    client.write(sendbuffer);

                    System.out.println("客戶端向服務器端發(fā)送數(shù)據(jù)--："+sendText);

                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                }

            }

            selectionKeys.clear();

        }

    }
}

運行結果

【死磕NIO】— NIO基礎詳解

緩沖區(qū) Buffer

通道 Channel

多路復用器 Selector

實例