微信公眾號【黃小斜】作者是螞蟻金服 JAVA 工程師薇缅，目前在螞蟻財富負責后端開發(fā)工作，專注于 JAVA 后端技術棧攒磨，同時也懂點投資理財泳桦，堅持學習和寫作，用大廠程序員的視角解讀技術與互聯(lián)網(wǎng)娩缰，我的世界里不只有 coding灸撰！關注公眾號后回復”架構師“即可領取 Java基礎、進階拼坎、項目和架構師等免費學習資料梧奢，更有數(shù)據(jù)庫、分布式演痒、微服務等熱門技術學習視頻亲轨，內(nèi)容豐富，兼顧原理和實踐鸟顺，另外也將贈送作者原創(chuàng)的Java學習指南惦蚊、Java程序員面試指南等干貨資源
作者：黃小斜
鏈接：https://www.imooc.com/article/291535
來源：慕課網(wǎng)
Java NIO：Buffer、Channel 和 Selector
轉自https://www.javadoop.com/post/nio-and-aio
本文將介紹 Java NIO 中三大組件 Buffer讯嫂、Channel蹦锋、Selector 的使用。
本來要一起介紹非阻塞 IO 和 JDK7 的異步 IO 的欧芽，不過因為之前的文章真的太長了莉掂，有點影響讀者閱讀，所以這里將它們放到另一篇文章中進行介紹千扔。
Buffer
一個 Buffer 本質(zhì)上是內(nèi)存中的一塊，我們可以將數(shù)據(jù)寫入這塊內(nèi)存厘唾，之后從這塊內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)褥符。
java.nio 定義了以下幾個 Buffer 的實現(xiàn)，這個圖讀者應該也在不少地方見過了吧抚垃。
其實核心是最后的 ByteBuffer喷楣，前面的一大串類只是包裝了一下它而已，我們使用最多的通常也是 ByteBuffer鹤树。
我們應該將 Buffer 理解為一個數(shù)組铣焊，IntBuffer、CharBuffer罕伯、DoubleBuffer 等分別對應 int[]粗截、char[]、double[] 等捣炬。
MappedByteBuffer 用于實現(xiàn)內(nèi)存映射文件，也不是本文關注的重點绽榛。
我覺得操作 Buffer 和操作數(shù)組湿酸、類集差不多，只不過大部分時候我們都把它放到了 NIO 的場景里面來使用而已灭美。下面介紹 Buffer 中的幾個重要屬性和幾個重要方法推溃。
position、limit届腐、capacity
就像數(shù)組有數(shù)組容量铁坎，每次訪問元素要指定下標，Buffer 中也有幾個重要屬性：position犁苏、limit硬萍、capacity。
最好理解的當然是 capacity围详，它代表這個緩沖區(qū)的容量朴乖，一旦設定就不可以更改。比如 capacity 為 1024 的 IntBuffer助赞，代表其一次可以存放 1024 個 int 類型的值买羞。一旦 Buffer 的容量達到 capacity，需要清空 Buffer雹食，才能重新寫入值畜普。
position 和 limit 是變化的，我們分別看下讀和寫操作下群叶，它們是如何變化的吃挑。
position 的初始值是 0钝荡，每往 Buffer 中寫入一個值，position 就自動加 1儒鹿，代表下一次的寫入位置化撕。讀操作的時候也是類似的，每讀一個值约炎，position 就自動加 1植阴。
從寫操作模式到讀操作模式切換的時候（flip），position 都會歸零圾浅，這樣就可以從頭開始讀寫了掠手。
Limit：寫操作模式下，limit 代表的是最大能寫入的數(shù)據(jù)狸捕，這個時候 limit 等于 capacity喷鸽。寫結束后，切換到讀模式灸拍，此時的 limit 等于 Buffer 中實際的數(shù)據(jù)大小做祝，因為 Buffer 不一定被寫滿了。
初始化 Buffer
每個 Buffer 實現(xiàn)類都提供了一個靜態(tài)方法 allocate(int capacity) 幫助我們快速實例化一個 Buffer鸡岗。如：
ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
IntBuffer intBuf = IntBuffer.allocate(1024);
LongBuffer longBuf = LongBuffer.allocate(1024);
// ...
另外混槐，我們經(jīng)常使用 wrap 方法來初始化一個 Buffer。
public static ByteBuffer wrap(byte[] array) {
...
}
填充 Buffer
各個 Buffer 類都提供了一些 put 方法用于將數(shù)據(jù)填充到 Buffer 中轩性，如 ByteBuffer 中的幾個 put 方法：
// 填充一個 byte 值
public abstract ByteBuffer put(byte b);
// 在指定位置填充一個 int 值
public abstract ByteBuffer put(int index, byte b);
// 將一個數(shù)組中的值填充進去
public final ByteBuffer put(byte[] src) {...}
public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length) {...}
上述這些方法需要自己控制 Buffer 大小声登，不能超過 capacity，超過會拋 java.nio.BufferOverflowException 異常揣苏。
對于 Buffer 來說悯嗓，另一個常見的操作中就是，我們要將來自 Channel 的數(shù)據(jù)填充到 Buffer 中卸察，在系統(tǒng)層面上脯厨，這個操作我們稱為讀操作，因為數(shù)據(jù)是從外部（文件或網(wǎng)絡等）讀到內(nèi)存中坑质。
int num = channel.read(buf);
上述方法會返回從 Channel 中讀入到 Buffer 的數(shù)據(jù)大小俄认。
提取 Buffer 中的值
前面介紹了寫操作，每寫入一個值洪乍，position 的值都需要加 1眯杏，所以 position 最后會指向最后一次寫入的位置的后面一個，如果 Buffer 寫滿了壳澳，那么 position 等于 capacity（position 從 0 開始）岂贩。
如果要讀 Buffer 中的值，需要切換模式，從寫入模式切換到讀出模式萎津。注意卸伞，通常在說 NIO 的讀操作的時候，我們說的是從 Channel 中讀數(shù)據(jù)到 Buffer 中锉屈，對應的是對 Buffer 的寫入操作荤傲，初學者需要理清楚這個。
調(diào)用 Buffer 的 flip() 方法颈渊，可以從寫入模式切換到讀取模式遂黍。其實這個方法也就是設置了一下 position 和 limit 值罷了。
public final Buffer flip() {
limit = position; // 將 limit 設置為實際寫入的數(shù)據(jù)數(shù)量
position = 0; // 重置 position 為 0
mark = -1; // mark 之后再說
return this;
}
對應寫入操作的一系列 put 方法俊嗽，讀操作提供了一系列的 get 方法：
// 根據(jù) position 來獲取數(shù)據(jù)
public abstract byte get();
// 獲取指定位置的數(shù)據(jù)
public abstract byte get(int index);
// 將 Buffer 中的數(shù)據(jù)寫入到數(shù)組中
public ByteBuffer get(byte[] dst)
附一個經(jīng)常使用的方法：
new String(buffer.array()).trim();
當然了雾家，除了將數(shù)據(jù)從 Buffer 取出來使用，更常見的操作是將我們寫入的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?Channel 中绍豁，如通過 FileChannel 將數(shù)據(jù)寫入到文件中芯咧，通過 SocketChannel 將數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)絡發(fā)送到遠程機器等。對應的竹揍，這種操作敬飒，我們稱之為寫操作。
int num = channel.write(buf);
mark() & reset()
除了 position芬位、limit无拗、capacity 這三個基本的屬性外，還有一個常用的屬性就是 mark晶衷。
mark 用于臨時保存 position 的值，每次調(diào)用 mark() 方法都會將 mark 設值為當前的 position阴孟，便于后續(xù)需要的時候使用晌纫。
public final Buffer mark() {
mark = position;
return this;
}
那到底什么時候用呢？考慮以下場景永丝，我們在 position 為 5 的時候锹漱，先 mark() 一下，然后繼續(xù)往下讀慕嚷，讀到第 10 的時候哥牍，我想重新回到 position 為 5 的地方重新來一遍，那只要調(diào)一下 reset() 方法喝检，position 就回到 5 了嗅辣。
public final Buffer reset() {
int m = mark;
if (m < 0)
throw new InvalidMarkException();
position = m;
return this;
}
rewind() & clear() & compact()
rewind()：會重置 position 為 0，通常用于重新從頭讀寫 Buffer挠说。
public final Buffer rewind() {
position = 0;
mark = -1;
return this;
}
clear()：有點重置 Buffer 的意思澡谭，相當于重新實例化了一樣。
通常损俭，我們會先填充 Buffer蛙奖，然后從 Buffer 讀取數(shù)據(jù)潘酗，之后我們再重新往里填充新的數(shù)據(jù)，我們一般在重新填充之前先調(diào)用 clear()雁仲。
public final Buffer clear() {
position = 0;
limit = capacity;
mark = -1;
return this;
}
compact()：和 clear() 一樣的是仔夺，它們都是在準備往 Buffer 填充新的數(shù)據(jù)之前調(diào)用。
前面說的 clear() 方法會重置幾個屬性攒砖，但是我們要看到缸兔，clear() 方法并不會將 Buffer 中的數(shù)據(jù)清空，只不過后續(xù)的寫入會覆蓋掉原來的數(shù)據(jù)祭衩，也就相當于清空了數(shù)據(jù)了灶体。
而 compact() 方法有點不一樣，調(diào)用這個方法以后掐暮，會先處理還沒有讀取的數(shù)據(jù)蝎抽，也就是 position 到 limit 之間的數(shù)據(jù)（還沒有讀過的數(shù)據(jù)），先將這些數(shù)據(jù)移到左邊路克，然后在這個基礎上再開始寫入樟结。很明顯，此時 limit 還是等于 capacity精算，position 指向原來數(shù)據(jù)的右邊瓢宦。
Channel
所有的 NIO 操作始于通道，通道是數(shù)據(jù)來源或數(shù)據(jù)寫入的目的地灰羽，主要地驮履，我們將關心 java.nio 包中實現(xiàn)的以下幾個 Channel：
- FileChannel：文件通道，用于文件的讀和寫
- DatagramChannel：用于 UDP 連接的接收和發(fā)送
- SocketChannel：把它理解為 TCP 連接通道廉嚼，簡單理解就是 TCP 客戶端
- ServerSocketChannel：TCP 對應的服務端玫镐，用于監(jiān)聽某個端口進來的請求
這里不是很理解這些也沒關系，后面介紹了代碼之后就清晰了怠噪。還有恐似，我們最應該關注，也是后面將會重點介紹的是 SocketChannel 和 ServerSocketChannel傍念。
Channel 經(jīng)常翻譯為通道矫夷，類似 IO 中的流，用于讀取和寫入憋槐。它與前面介紹的 Buffer 打交道双藕，讀操作的時候?qū)?Channel 中的數(shù)據(jù)填充到 Buffer 中，而寫操作時將 Buffer 中的數(shù)據(jù)寫入到 Channel 中阳仔。
至少讀者應該記住一點蔓彩，這兩個方法都是 channel 實例的方法。
FileChannel
我想文件操作對于大家來說應該是最熟悉的，不過我們在說 NIO 的時候赤嚼，其實 FileChannel 并不是關注的重點旷赖。而且后面我們說非阻塞的時候會看到，F(xiàn)ileChannel 是不支持非阻塞的更卒。
這里算是簡單介紹下常用的操作吧等孵，感興趣的讀者瞄一眼就是了。
初始化：
FileInputStream inputStream = new FileInputStream(new File("/data.txt"));
FileChannel fileChannel = inputStream.getChannel();
當然了蹂空，我們也可以從 RandomAccessFile#getChannel 來得到 FileChannel俯萌。
讀取文件內(nèi)容：
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int num = fileChannel.read(buffer);
前面我們也說了，所有的 Channel 都是和 Buffer 打交道的上枕。
寫入文件內(nèi)容：
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("隨機寫入一些內(nèi)容到 Buffer 中".getBytes());
// Buffer 切換為讀模式
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()) {
// 將 Buffer 中的內(nèi)容寫入文件
fileChannel.write(buffer);
}
SocketChannel
我們前面說了咐熙，我們可以將 SocketChannel 理解成一個 TCP 客戶端。雖然這么理解有點狹隘辨萍，因為我們在介紹 ServerSocketChannel 的時候會看到另一種使用方式棋恼。
打開一個 TCP 連接：
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80));
當然了，上面的這行代碼等價于下面的兩行：
// 打開一個通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 發(fā)起連接
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80));
SocketChannel 的讀寫和 FileChannel 沒什么區(qū)別锈玉，就是操作緩沖區(qū)爪飘。
// 讀取數(shù)據(jù)
socketChannel.read(buffer);
// 寫入數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡連接中
while(buffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(buffer);
}
不要在這里停留太久，先繼續(xù)往下走拉背。
ServerSocketChannel
之前說 SocketChannel 是 TCP 客戶端师崎，這里說的 ServerSocketChannel 就是對應的服務端。
ServerSocketChannel 用于監(jiān)聽機器端口椅棺，管理從這個端口進來的 TCP 連接犁罩。
// 實例化
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 監(jiān)聽 8080 端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
while (true) {
// 一旦有一個 TCP 連接進來，就對應創(chuàng)建一個 SocketChannel 進行處理
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}
這里我們可以看到 SocketChannel 的第二個實例化方式
到這里两疚，我們應該能理解 SocketChannel 了床估，它不僅僅是 TCP 客戶端，它代表的是一個網(wǎng)絡通道鬼雀，可讀可寫顷窒。
ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了蛙吏，因為它并不實際處理數(shù)據(jù)源哩，它一旦接收到請求后，實例化 SocketChannel鸦做，之后在這個連接通道上的數(shù)據(jù)傳遞它就不管了励烦，因為它需要繼續(xù)監(jiān)聽端口，等待下一個連接泼诱。
DatagramChannel
UDP 和 TCP 不一樣坛掠，DatagramChannel 一個類處理了服務端和客戶端。
科普一下，UDP 是面向無連接的屉栓，不需要和對方握手舷蒲，不需要通知對方，就可以直接將數(shù)據(jù)包投出去友多，至于能不能送達牲平，它是不知道的
監(jiān)聽端口：
DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
channel.receive(buf);
發(fā)送數(shù)據(jù)：
String newData = "New String to write to file..."
+ System.currentTimeMillis();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();
int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));
Selector
NIO 三大組件就剩 Selector 了，Selector 建立在非阻塞的基礎之上域滥，大家經(jīng)常聽到的 多路復用 在 Java 世界中指的就是它纵柿，用于實現(xiàn)一個線程管理多個 Channel。
讀者在這一節(jié)不能消化 Selector 也沒關系启绰，因為后續(xù)在介紹非阻塞 IO 的時候還得說到這個昂儒，這里先介紹一些基本的接口操作。
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首先委可，我們開啟一個 Selector渊跋。你們愛翻譯成選擇器也好，多路復用器也好撤缴。
Selector selector = Selector.open(); -
將 Channel 注冊到 Selector 上刹枉。前面我們說了，Selector 建立在非阻塞模式之上屈呕，所以注冊到 Selector 的 Channel 必須要支持非阻塞模式微宝，F(xiàn)ileChannel 不支持非阻塞，我們這里討論最常見的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel虎眨。
// 將通道設置為非阻塞模式蟋软，因為默認都是阻塞模式的 channel.configureBlocking(false); // 注冊 SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);register 方法的第二個 int 型參數(shù)（使用二進制的標記位）用于表明需要監(jiān)聽哪些感興趣的事件，共以下四種事件：
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SelectionKey.OP_READ
對應 00000001嗽桩，通道中有數(shù)據(jù)可以進行讀取
-
SelectionKey.OP_WRITE
對應 00000100岳守，可以往通道中寫入數(shù)據(jù)
-
SelectionKey.OP_CONNECT
對應 00001000，成功建立 TCP 連接
-
SelectionKey.OP_ACCEPT
對應 00010000碌冶，接受 TCP 連接
-
我們可以同時監(jiān)聽一個 Channel 中的發(fā)生的多個事件湿痢，比如我們要監(jiān)聽 ACCEPT 和 READ 事件，那么指定參數(shù)為二進制的 00010001 即十進制數(shù)值 17 即可扑庞。
注冊方法返回值是 SelectionKey 實例譬重，它包含了 Channel 和 Selector 信息，也包括了一個叫做 Interest Set 的信息罐氨，即我們設置的我們感興趣的正在監(jiān)聽的事件集合臀规。
- 調(diào)用 select() 方法獲取通道信息沐批。用于判斷是否有我們感興趣的事件已經(jīng)發(fā)生了腋舌。
Selector 的操作就是以上 3 步，這里來一個簡單的示例的榛，大家看一下就好了。之后在介紹非阻塞 IO 的時候谨究，會演示一份可執(zhí)行的示例代碼恩袱。
Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while(true) {
// 判斷是否有事件準備好
int readyChannels = selector.select();
if(readyChannels == 0) continue;
// 遍歷
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();
}
}
對于 Selector，我們還需要非常熟悉以下幾個方法：
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select()
調(diào)用此方法胶哲，會將上次 select 之后的準備好的 channel 對應的 SelectionKey 復制到 selected set 中憎蛤。如果沒有任何通道準備好，這個方法會阻塞纪吮，直到至少有一個通道準備好俩檬。
-
selectNow()
功能和 select 一樣，區(qū)別在于如果沒有準備好的通道碾盟，那么此方法會立即返回 0棚辽。
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select(long timeout)
看了前面兩個，這個應該很好理解了冰肴，如果沒有通道準備好屈藐，此方法會等待一會
-
wakeup()
這個方法是用來喚醒等待在 select() 和 select(timeout) 上的線程的。如果 wakeup() 先被調(diào)用熙尉，此時沒有線程在 select 上阻塞联逻，那么之后的一個 select() 或 select(timeout) 會立即返回，而不會阻塞检痰，當然包归，它只會作用一次。
小結
到此為止铅歼，介紹了 Buffer公壤、Channel 和 Selector 的常見接口。
Buffer 和數(shù)組差不多椎椰，它有 position厦幅、limit、capacity 幾個重要屬性慨飘。put() 一下數(shù)據(jù)确憨、flip() 切換到讀模式、然后用 get() 獲取數(shù)據(jù)瓤的、clear() 一下清空數(shù)據(jù)休弃、重新回到 put() 寫入數(shù)據(jù)。
Channel 基本上只和 Buffer 打交道堤瘤，最重要的接口就是 channel.read(buffer) 和 channel.write(buffer)玫芦。
Selector 用于實現(xiàn)非阻塞 IO浆熔，這里僅僅介紹接口使用本辐，后續(xù)請關注非阻塞 IO 的介紹桥帆。
（全文完）
微信公眾號【Java技術江湖】一位阿里 Java 工程師的技術小站。（關注公眾號后回復”Java“即可領取 Java基礎慎皱、進階老虫、項目和架構師等免費學習資料，更有數(shù)據(jù)庫茫多、分布式祈匙、微服務等熱門技術學習視頻，內(nèi)容豐富天揖，兼顧原理和實踐夺欲，另外也將贈送作者原創(chuàng)的Java學習指南、Java程序員面試指南等干貨資源）
