IO系列第二章——NIO （Buffer&&Channel）

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2024-04-08 11:55 16阅读 0赞

### 2 NIO ###

### 2.1 NIO概念 ###

Java NIO（全称java non-blockingIO）: 同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个请求(连接)，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理。

NIO和BIO的作用和目的相同，但是实现方式不同。BIO以流的方式处理数据，而NIO以块的方式处理数据，因此效率要高很多。

NIO是在Java 1.4开始引入了NIO框架(java.nio包) ,java提供了一系列改进的输入输出的新特性，这些统称NIO,也有人成为New IO.

NIO提供了Channel、Selector、 Buffer等新的抽象 ,可以构建多路复用IO程序，同时提供更接近操作系统底层的高性能数据操作方式。传统BIO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channe（通道）和Buffer（缓冲区）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区，或者从缓冲区写入到通道中。Selector用于监听多个通道的事件，因此使用单个线程就可以监听多个数据通道。

### 2.2 工作原理 ###

![在这里插入图片描述][a2589cc3896148778a9386e018e3e709.png]  
1、一个线程一个selector，一个线程对应多个channel（连接），每个Channel对应一个Buffer。  
2、多个channel可以注册到一个selector，事件决定selector切换到哪一个channel。  
3、数据的读写通过Buffer，BIO中的流是单向的，要么输入流要么输出流，NIO的Buffer是可双向读写，通过flip方法切换即可。  
4、channel也是双向的，可以返回底层操作系统的情况，例如Linux,底层的操作系统通道就是双向的。

### 2.3 使用场景 ###

NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器。

#### 2.3.1 NIO核心— 缓冲区 Buffe ####

**概念**  
缓冲区(Buffer) :缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存，这块内存被包装成NIO Buffer对象，可以理解成是一个容器，是一个特殊的数组，该对象提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。  
![在这里插入图片描述][3592dab8276a4de3b35e3362457d0495.png]  
Channel提供从文件或网络读取数据的渠道，但是读取或者写入的数据都是经过Buffer。

#### 2.3.2 Buffer类及其子类 ####

在NIO中，Buffer是一个顶级父类，也是一个抽象类，有很多的子类。  
![在这里插入图片描述][6f0fd903214b4cd2a042c19068f6c9a6.png]

#### 2.3.3 Buffer中的属性 ####

![在这里插入图片描述][fca25be540754e80925bab8d8fdb66d2.png]  
![在这里插入图片描述][8a63488c41be4146ae63b9796070be66.png]

#### 2.3.4 Buffer中的方法 ####

![在这里插入图片描述][0d238ea5ba3342258e0b7d417a916e2c.png]

#### 2.3.5 Buffer的基本用法 ####

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤：  
1、创建缓冲区，写入数据到Buffer  
2、调flip()方法将缓冲区改成读取模式  
3、从Buffer中读取数据  
4、调用clear()方法或者compact()方法

虽然java中的基本数据类型都有对应的Buffer类型与之对应（Boolean除外），但是使用频率最高的是ByteBuffer类。所以先介绍一下ByteBuffer中的常用方法。

> ByteBuffer中常用方法

![在这里插入图片描述][ba3be63dcb054364ba0b53db1bcdb4e3.png]

allocate(int)：创建间接缓冲区：在堆中开辟，易于管理，垃圾回收器可以回收，空间有限，读写文件 速度较慢。 allocateDirect(int)：创建直接缓冲区：不在堆中，物理内存中开辟空间，空间比较大，读写文件速度 快，缺点：不受垃圾回收器控制，创建和销毁耗性能。

### 2.4 案例 ###

#### 2.4.1 案例1：ByteBuffer的常用方法一 ####

package testIO;
    import java.nio.ByteBuffer;
    /**
     * Buffer的基本用法
     */
    public class BufferTest01 {
        
        public static void main(String[] args) {
        
    // 1、创建缓冲区，写入数据到Buffer
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);//创建指定容量的间接缓冲区
    
     ByteBuffer buffer1=ByteBuffer.allocateDirect(1024);//创建指定容量的直接缓冲区
    //写入数据的方式1
    //buffer.put("hi,dude".getBytes());
    //写入数据的方式2
            buffer.put((byte) 'h');
            buffer.put((byte) 'i');
            buffer.put((byte) ',');
            buffer.put((byte) 'd');
            buffer.put((byte) 'u');
            buffer.put((byte) 'd');
            buffer.put((byte) 'e');
    // 2、调flip()方法将缓冲区改成读取模式
            buffer.flip();
    // 3、从Buffer中读取数据的
    // 方式1：单个自己的读取
    /*while(buffer.hasRemaining()) {
    byte b = buffer.get();
    System.out.println((char) b);
    }*/
    //读取数据的方式2：
            byte[] data=new byte[buffer.limit()];
            buffer.get(data);
            System.out.println(new String(data));
    // 4、调用clear()方法或者compact()方法
            buffer.clear();
            buffer.compact();
        }
    }

clear(): position将被置为0，limit被设置成capacity的值。可以理解为Buffer被清空了，但 是Buffer中的数据并未清除，只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。如果Buffer中 有一些未读的数据，调用clear()方法，未读数据将“被遗忘”，意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据 被读过，哪些还没有.  
compact(): 将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后 面。limit属性依然像clear()方法一样，设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了，但是不会覆 盖未读的数据。

#### 2.4.2 案例2：ByteBuffer的常用方法二 ####

ByteBuffer 支持类型化的put和get, put放入的是什么数据类型，get取出来依然是什么类型， 否则可能出现BufferUnderflowException 异常。

import java.nio.ByteBuffer;
    public class BufferTest02 {
        
        public static void main(String[] args) {
        
    //1、创建buffer
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
    //2、写入数据：按照类型化方式
            buffer.putChar('K');
            buffer.putLong(1024L);
            buffer.putInt(512);
            buffer.putShort((short) 0);
    //3、读写切换
            buffer.flip();
    //4、读取数据
            System.out.println(buffer.getChar());
            System.out.println(buffer.getLong());
            System.out.println(buffer.getInt());
            System.out.println(buffer.getShort());
        }
    }

#### 2.4.3 案例3：一个普通Buffer转成只读Buffer . ####

import java.nio.ByteBuffer;
    public class ReadOnlyBuffer {
        
        public static void main(String[] args) {
        
    //创建一个Buffer
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(64);
    //循环放入数据
            for (int i=0;i<buffer.capacity();i++){
        
                buffer.put((byte) i);
            }
    //读写切换
            buffer.flip();
    //得到一个只读的buffer
            ByteBuffer readOnlyBuffer = buffer.asReadOnlyBuffer();
            System.out.println("readOnlyBuffer类型："+readOnlyBuffer.getClass());
    //读取数据
            while(readOnlyBuffer.hasRemaining()){
        
                System.out.println(readOnlyBuffer.get());
            }
    //写入数据会抛出异常--ReadOnlyBufferException
            readOnlyBuffer.put((byte) 66);
        }
    }

![在这里插入图片描述][4738eda8ed0d4141a393668ff9210461.png]

### 2.5 NIO核心— 通道 Channel ###

#### 2.5.1 Channel介绍 ####

通道(Channel) :类似于BIO中的stream，例如FileInputStream对象，用来建立到目标(文件，网络套接字，硬件设备等)的一个连接，  
**但是也有区别：**  
既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道。但流的读写通常是单向的。

通道可以异步地读写。

通道中的数据总是要先读到一个Buffer，或者总是要从一个Buffer中写入。  
![在这里插入图片描述][8ba23bc9946c4287b4d1ed6064d34a43.png]

#### 2.5.2 Channel的实现 ####

常用的Channel类有: FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel 和SocketChannel.  
FileChannel 从文件中读写数据。  
DatagramChannel 能通过UDP读写网络中的数据。  
SocketChannel 能通过TCP读写网络中的数据。  
ServerSocketChannel可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。  
![在这里插入图片描述][7182f433db0a48d48f85330a1226aa94.png]

#### 2.5.3 FileChannel ####

FileChannel主要用来对本地文件进行读写操作，但是FileChannel是一个抽象类，所以我们实际用的更多的是其子类FileChannelImpl,

常用的API  
![在这里插入图片描述][4db6528b89b74bcba184508e541c81fe.png]

### 2.6 案例 ###

#### 2.6.1 写入数据到文件 ####

![在这里插入图片描述][e368dca774d446f6a1ee9f4f98bafdd1.png]

import java.io.FileNotFoundException;
    import java.io.FileOutputStream;
    import java.io.IOException;
    import java.nio.ByteBuffer;
    
    import java.nio.channels.FileChannel;
    /**
     * 写出数据到本地文件中
     * @Author wanglina
     * @Version 1.0
     */
    public class FileChannelTest01 {
        
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
    
            String msg="hi,xiaoli";
            String fileName="channel01.txt";
    //创建一个输出流
            FileOutputStream fileOutputStream=new FileOutputStream(fileName);
    //获取同一个通道--channel的实际类型是FileChannelImpl
            FileChannel channel=fileOutputStream.getChannel();
    //创建一个缓冲区
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
    //将信息写入缓冲区中
            buffer.put(msg.getBytes());
    //从第一个数据进行操作，把position移会俩   对缓冲区读写切换
            buffer.flip();
    //将缓冲区中的数据写到到通道中
            int num=channel.write(buffer);
            System.out.println("写入完毕！"+num);
            fileOutputStream.close();
        }
    }

![在这里插入图片描述][8658797010c34d3b94d16e1c571644ef.png]

#### 2.6.2读取文件中的数据 ####

import java.io.File;
    import java.io.FileInputStream;
    import java.io.FileNotFoundException;
    import java.io.IOException;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.FileChannel;
    
    /**
     * 从本地文件中读取数据
     * @Author wanglina
     * @Version 1.0
     */
    public class FileChannelTest02 {
        
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
            File file=new File("channel01.txt");
            //创建输入流
            FileInputStream fileInputStream=new FileInputStream(file);
    //获取通道
            FileChannel channel = fileInputStream.getChannel();
    //创建缓冲区
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate((int) file.length());
    //将通道中的数据读取buffer中
            channel.read(buffer);
    //将buffer中的字节数组转换为字符串输出
            System.out.println(new String(buffer.array()));
            fileInputStream.close();
        }
    }

#### 2.6.3、文件的复制 ####

方式1：非transferFrom方式

import java.io.*;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.channels.FileChannel;
    /**
     * 实现文件的复制
     * @Author wanglina
     * @Version 1.0
     */
    public class FileChannelTest03 {
        
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
    //准备好要复制的源文件和目标文件
            File file=new File("channel01.txt");
            File fileCopy=new File("channelCopy01.txt");
    //创建输入和输出流
            FileInputStream fileInputStream=new FileInputStream(file);
            FileOutputStream fileOutputStream=new FileOutputStream(fileCopy);
    //获取两个通道
            FileChannel inChannel = fileInputStream.getChannel();
            FileChannel outChannel = fileOutputStream.getChannel();
    //创建缓冲区
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
            int len=0;
            while(true){
        
    //将标志位重置
                buffer.clear();
                len=inChannel.read(buffer);
                System.out.println("len="+len);
                if(len==-1){
        
                    break;
                }
    //读写切换
                buffer.flip();
    //将buffer中的数据写入到了通道中
                outChannel.write(buffer);
            }
            System.out.println("复制完毕！OK!");
            inChannel.close();
            outChannel.close();
            fileInputStream.close();
            fileOutputStream.close();
        }
    }

方式2：使用transferFrom方式拷贝

import java.io.*;
    import java.nio.channels.FileChannel;
    /**
     * 文件的复制--方式2 transferFrom
     * @Author wanglina
     * @Version 1.0
     */
    public class FileChannelTest04 {
        
        public static void main(String[] args) throws IOException {
        
    //要复制的文件和目标文件
            File file=new File("channel01.txt");
            File fileCopy=new File("channel02.txt");
    //创建输入流和输出流
            FileInputStream fileInputStream=new FileInputStream(file);
            FileOutputStream fileOutputStream=new FileOutputStream(fileCopy);
    //获取两个通道
            FileChannel inChannel=fileInputStream.getChannel();
            FileChannel outChannel=fileOutputStream.getChannel();
    //使用transferFrom复制--两个方式适合大文件的复制
            outChannel.transferFrom(inChannel, 0,inChannel.size());
    //使用transferTo复制---注意方向
    //inChannel.transferTo(0, inChannel.size(),outChannel);
            System.out.println("复制完毕！OK");
            inChannel.close();
            outChannel.close();
            fileInputStream.close();
            fileOutputStream.close();
        }
    }

这里说一下Byte 存储的最大容量差不多是几十MB  
byte占用1个字节 可表示范围 -128-127 ，为什么有负数可以参考补码的知识。那么当  
byte \[\]bytes=new byte\[1024\];  
![在这里插入图片描述][3f6b621bc386449f92d3dcda0eae2818.png]  
通过这个输出就可以看出来，byte数组，每次存储一个字符或者数字，通过ASCII存储在对应的数组位置上，一个位置一个字节。因为我写的过程突然不太了解这个byte的原理，所以仔细的想了一下。关于Selector的内容放在下一篇了。这个篇幅太长了。

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![在这里插入图片描述][4340245e3ced46eb972069d8ad9c5966.png]

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