Java NIO主要解決了Java IO的效率問題，解決此問題的思路之一是利用硬件和操作系統(tǒng)直接支持的緩沖區(qū)染乌、虛擬內(nèi)存俺榆、磁盤控制器直接讀寫等優(yōu)化IO的手段；思路之二是提供新的編程架構(gòu)使得單個線程可以控制多個IO粒蜈，從而節(jié)約線程資源顺献，提高IO性能。
Java IO引入了三個主要概念枯怖，即緩沖區(qū)（Buffer）注整、通道（Channel）和選擇器（Selector），本文主要介紹緩沖區(qū)度硝。

1. 緩沖區(qū)概念
   緩沖區(qū)是對Java原生數(shù)組的對象封裝肿轨，它除了包含其數(shù)組外，還帶有四個描述緩沖區(qū)特征的屬性以及一組用來操作緩沖區(qū)的API蕊程。緩沖區(qū)的根類是Buffer椒袍，其重要的子類包括ByteBuffer、MappedByteBuffer藻茂、CharBuffer驹暑、IntBuffer、DoubleBuffer辨赐、ShortBuffer优俘、LongBuffer、FloatBuffer掀序。從其名稱可以看出這些類分別對應了存儲不同類型數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)帆焕。

1.1四個屬性
緩沖區(qū)由四個屬性指明其狀態(tài)。
容量（Capacity）：緩沖區(qū)能夠容納的數(shù)據(jù)元素的最大數(shù)量森枪。初始設定后不能更改视搏。
上界（Limit）：緩沖區(qū)中第一個不能被讀或者寫的元素位置审孽。或者說浑娜，緩沖區(qū)內(nèi)現(xiàn)存元素的上界佑力。
位置（Position）：緩沖區(qū)內(nèi)下一個將要被讀或?qū)懙脑匚恢谩Ｔ谶M行讀寫緩沖區(qū)時筋遭，位置會自動更新打颤。
標記（Mark）：一個備忘位置。初始時為“未定義”漓滔，調(diào)用mark時mark=positon编饺，調(diào)用reset時position=mark。
這四個屬性總是滿足如下關(guān)系：

mark<=position<=limit<=capacity

如果我們創(chuàng)建一個新的容量大小為10的ByteBuffer對象如下圖所示：

image.png

在初始化的時候响驴，position設置為0透且，limit和 capacity被設置為10，在以后使用ByteBuffer對象過程中豁鲤，capacity的值不會再發(fā)生變化秽誊，而其它兩個個將會隨著使用而變化。三個屬性值分別如圖所示：

image.png

現(xiàn)在我們可以從通道中讀取一些數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)中琳骡，注意從通道讀取數(shù)據(jù)锅论，相當于往緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)。如果讀取4個字節(jié)的數(shù)據(jù)楣号，則此時position的值為4最易，即下一個將要被寫入的字節(jié)索引為4，而limit仍然是10炫狱，如下圖所示：

image.png

下一步把讀取的數(shù)據(jù)寫入到輸出通道中藻懒，相當于從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，在此之前视译，必須調(diào)用flip()方法束析，該方法將會完成兩件事情：

1. 把limit設置為當前的position值

2. 把position設置為0
   由于position被設置為0，所以可以保證在下一步輸出時讀取到的是緩沖區(qū)中的第一個字節(jié)憎亚，而limit被設置為當前的position员寇，可以保證讀取的數(shù)據(jù)正好是之前寫入到緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，如下圖所示：

   
   
   image.png

現(xiàn)在調(diào)用get()方法從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)寫入到輸出通道第美，這會導致position的增加而limit保持不變蝶锋，但position不會超過limit的值，所以在讀取我們之前寫入到緩沖區(qū)中的4個自己之后什往，position和limit的值都為4扳缕，如下圖所示：

image.png

在從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)完畢后，limit的值仍然保持在我們調(diào)用flip()方法時的值，調(diào)用clear()方法能夠把所有的狀態(tài)變化設置為初始化時的值躯舔，如下圖所示：

image.png

下面這個例子可以展示buffer的讀寫：

public class NioTest1 {

    public static void main(String[] args) {
        //通過nio生成隨機數(shù)驴剔，然后在打印出來

        IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(10);
        System.out.println("capacity："+buffer.capacity());
        for (int i = 0;i < 5;i++){
            int randomNumber = new SecureRandom().nextInt(20);
            //這里相當于把數(shù)據(jù)寫到buffer中
            buffer.put(randomNumber);
        }

        System.out.println("before flip limit："+buffer.capacity());

        //上面是寫，下面為讀粥庄，通過flip()方法進行讀寫的切換
        buffer.flip();

        System.out.println("after flip limit："+buffer.capacity());

        System.out.println("enter while loop");

        while(buffer.hasRemaining()){
            System.out.println("position：" + buffer.position());
            System.out.println("limit：" + buffer.limit());
            System.out.println("capacity：" + buffer.capacity());

            //這里相當于從buffer中讀出數(shù)據(jù)
            System.out.println(buffer.get());
        }

    }

1.3 remaining和hasRemaining
remaining()會返回緩沖區(qū)中目前存儲的元素個數(shù)丧失，在使用參數(shù)為數(shù)組的get方法中，提前知道緩沖區(qū)存儲的元素個數(shù)是非常有用的惜互。
事實上布讹，由于緩沖區(qū)的讀或者寫模式并不清晰，因此實際上remaining()返回的僅僅是limit – position的值训堆。
而hasRemaining()的含義是查詢緩沖區(qū)中是否還有元素描验，這個方法的好處是它是線程安全的。

1.4 Flip翻轉(zhuǎn)
在從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)時坑鱼，get方法會從position的位置開始膘流，依次讀取數(shù)據(jù)，每次讀取后position會自動加1鲁沥，直至position到達limit處為止睡扬。因此，在寫入數(shù)據(jù)后黍析，開始讀數(shù)據(jù)前，需要設置position和limit的值屎开，以便get方法能夠正確讀入前面寫入的元素阐枣。
這個設置應該是讓limit=position，然后position=0奄抽，為了方便蔼两，Buffer類提供了一個方法flip()，來完成這個設置逞度。其代碼如下：

/**
     * 測試flip操作额划，flip就是從寫入轉(zhuǎn)為讀出前的一個設置buffer屬性的操作，其意義是將limit=position档泽，position=0
     */
    private static void testFlip() {
       CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(10);
       buffer.put("abc");
       buffer.flip();
       char[] chars = new char[buffer.remaining()];
       buffer.get(chars);
       System.out.println(chars);

        //以下操作與flip等同
       buffer.clear();
       buffer.put("abc");
       buffer.limit(buffer.position());
       buffer.position(0);
       chars = new char[buffer.remaining()];
       buffer.get(chars);
        System.out.println(chars);
}

1.5compact壓縮
壓縮compact()方法是為了將讀取了一部分的buffer俊戳，其剩下的部分整體挪動到buffer的頭部（即從0開始的一段位置），便于后續(xù)的寫入或者讀取馆匿。其含義為limit=limit-position抑胎，position=0，測試代碼如下：

 private static void testCompact() {
       CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(10);
       buffer.put("abcde");
       buffer.flip();
        //先讀取兩個字符
       buffer.get();
       buffer.get();
       showBuffer(buffer);
        //壓縮
       buffer.compact();
        //繼續(xù)寫入
       buffer.put("fghi");
       buffer.flip();
        showBuffer(buffer);
        //從頭讀取后續(xù)的字符
       char[] chars = new char[buffer.remaining()];
       buffer.get(chars);
       System.out.println(chars);
}

1.6duplicate復制
復制緩沖區(qū)渐北，兩個緩沖區(qū)對象實際上指向了同一個內(nèi)部數(shù)組阿逃，但分別管理各自的屬性。

    private static void testDuplicate() {
        CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(10);
       buffer.put("abcde");
       CharBuffer buffer1 = buffer.duplicate();
       buffer1.clear();
       buffer1.put("alex");
       showBuffer(buffer);
       showBuffer(buffer1);
}

1.7 slice緩沖區(qū)切片

緩沖區(qū)切片，將一個大緩沖區(qū)的一部分切出來恃锉，作為一個單獨的緩沖區(qū)搀菩，但是它們公用同一個內(nèi)部數(shù)組。切片從原緩沖區(qū)的position位置開始破托，至limit為止肪跋。原緩沖區(qū)和切片各自擁有自己的屬性，測試代碼如下：

  /**
 * slice Buffer 和原有Buffer共享相同的底層數(shù)組
 */
public class NioTest6 {

    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        for (int i=0;i<buffer.capacity();i++){
            buffer.put((byte)i);
        }
        buffer.position(2);
        buffer.limit(6);

        ByteBuffer sliceBuffer = buffer.slice();
        for (int i=0;i < sliceBuffer.capacity();i++){
            byte b = sliceBuffer.get(i);
            b *= 2;
            sliceBuffer.put(i,b);
        }

        buffer.position(0);
        buffer.limit(buffer.capacity());

        while(buffer.hasRemaining()){
            System.out.println(buffer.get());
        }
    }
}

1.8只讀Buffer
我們可以隨時將一個普通Buffer調(diào)用asReadOnlyBuffer方法返回一個只讀Buffer炼团，但不能將一個只讀Buffer轉(zhuǎn)換成讀寫B(tài)uffer

public class NioTest7 {

    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        System.out.println(buffer.getClass());
        for (int i=0;i<buffer.capacity();i++){
            buffer.put((byte)i);
        }

        ByteBuffer readOnlyBuffer = buffer.asReadOnlyBuffer();
        System.out.println(readOnlyBuffer.getClass());

        //只讀buffer澎嚣，不可以寫
//        readOnlyBuffer.position(0);
//        readOnlyBuffer.put((byte)2);
    }
}

2. 字節(jié)緩沖區(qū)
   為了便于示例，前面的例子都使用了CharBuffer緩沖區(qū)瘟芝，但實際上應用最廣易桃，使用頻率最高，也是最重要的緩沖區(qū)是字節(jié)緩沖區(qū)ByteBuffer锌俱。因為ByteBuffer中直接存儲字節(jié)晤郑，所以在不同的操作系統(tǒng)、硬件平臺贸宏、文件系統(tǒng)和JDK之間傳遞數(shù)據(jù)時不涉及編碼造寝、解碼和亂碼問題，也不涉及Big-Endian和Little-Endian大小端問題吭练，所以它是使用最為便利的一種緩沖區(qū)诫龙。

2.1視圖緩沖區(qū)
ByteBuffer中存儲的是字節(jié)，有時為了方便鲫咽，可以使用asCharBuffer()等方法將ByteBuffer轉(zhuǎn)換為存儲某基本類型的視圖签赃，例如CharBuffer、IntBuffer分尸、DoubleBuffer锦聊、ShortBuffer、LongBuffer和FloatBuffer箩绍。
如此轉(zhuǎn)換后孔庭，這兩個緩沖區(qū)共享同一個內(nèi)部數(shù)組，但是對數(shù)組內(nèi)元素的視角不同材蛛。以CharBuffer和ByteBuffer為例圆到，ByteBuffer將其視為一個個的字節(jié)（1個字節(jié)），而CharBuffer則將其視為一個個的字符（2個字節(jié)）卑吭。若此ByteBuffer的capacity為12构资，則對應的CharBuffer的capacity為12/2=6。與duplicate創(chuàng)建的復制緩沖區(qū)類似陨簇，該CharBuffer和ByteBuffer也各自管理自己的緩沖區(qū)屬性吐绵。
還有一點需要注意的是迹淌，在創(chuàng)建視圖緩沖區(qū)的時候ByteBuffer的position屬性的取值很重要，視圖會以當前position的值為開頭己单，以limit為結(jié)尾唉窃。例子如下：

private static void testElementView() {
    ByteBuffer buffer =ByteBuffer.allocate(12);
    //存入四個字節(jié),0x00000042
    buffer.put((byte) 0x00).put((byte)0x00).put((byte) 0x00).put((byte) 0x42);
    buffer.position(0);
    //轉(zhuǎn)換為IntBuffer，并取出一個int（四個字節(jié)）
    IntBuffer intBuffer =buffer.asIntBuffer();
    int i =intBuffer.get();
   System.out.println(Integer.toHexString(i));
}

不同元素需要的字節(jié)數(shù)不同：char為2字節(jié)纹笼，short為2字節(jié)纹份，int為4字節(jié)，float為4字節(jié)廷痘，long為8字節(jié)蔓涧，double也是8字節(jié)。

2.2存取數(shù)據(jù)元素
也可以不通過視圖緩沖區(qū)笋额，直接向ByteBuffer中存入和取出不同類型的元素元暴，其方法名為putChar()或者getChar()之類。例子如下：

private static void testPutAndGetElement() {
    ByteBuffer buffer =ByteBuffer.allocate(12);
    //直接存入一個int
    buffer.putInt(0x1234abcd);
    //以byte分別取出
    buffer.position(0);
    byte b1 = buffer.get();
    byte b2 = buffer.get();
    byte b3 = buffer.get();
    byte b4 = buffer.get();
   System.out.println(Integer.toHexString(b1&0xff));
   System.out.println(Integer.toHexString(b2&0xff));
   System.out.println(Integer.toHexString(b3&0xff));
   System.out.println(Integer.toHexString(b4&0xff));
}

2.3 字節(jié)序

終于又要講到字節(jié)序了兄猩，詳細參見https://zhuanlan.zhihu.com/p/25435644茉盏。

簡單說來，當某個元素（char枢冤、int鸠姨、double）的長度超過了1個字節(jié)時，則由于種種歷史原因淹真，它在內(nèi)存中的存儲方式有兩種讶迁，一種是Big-Endian，一種是Little-Endian核蘸。
Big-Endian就是高位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端巍糯，低位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。 簡單來說值纱，就是我們?nèi)祟愂煜さ拇娣欧绞健?br> Little-Endian就是低位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，高位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端坯汤。
Java默認是使用Big-Endian的虐唠，因此上面的代碼都是以這種方式來存放元素的。但是惰聂，其他的一些硬件（CPU）疆偿、操作系統(tǒng)或者語言可能是以Little-Endian的方式來存儲元素的。因此NIO提供了相應的API來支持緩沖區(qū)設置為不同的字節(jié)序搓幌，其方法很簡單杆故，代碼如下：

    privatestatic void testByteOrder() {
        ByteBuffer buffer =ByteBuffer.allocate(12);
        //直接存入一個int
       buffer.putInt(0x1234abcd);
       buffer.position(0);
        intbig_endian= buffer.getInt();
       System.out.println(Integer.toHexString(big_endian));
       buffer.rewind();
        intlittle_endian=buffer.order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN).getInt();
       System.out.println(Integer.toHexString(little_endian));
    }

輸出為：
1234abcd
cdab3412
使用order方法可以隨時設置buffer的字節(jié)序，其參數(shù)取值為ByteOrder.LITTLE_ENDIAN以及ByteOrder.BIG_ENDIAN溉愁。

2.4直接緩沖區(qū) DirectByteBuffer
最后一個需要掌握的概念是直接緩沖區(qū)处铛，它是以創(chuàng)建時的開銷換取了IO時的高效率。另外一點是，直接緩沖區(qū)使用的內(nèi)存是直接調(diào)用了操作系統(tǒng)api分配的撤蟆，繞過了JVM堆棧奕塑。
直接緩沖區(qū)通過ByteBuffer.allocateDirect()方法創(chuàng)建，并可以調(diào)用isDirect()來查詢一個緩沖區(qū)是否為直接緩沖區(qū)家肯。
一般來說龄砰，直接緩沖區(qū)是最好的IO選擇。

public class NioTest8 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileInputStream inputStream = new FileInputStream("input2.txt");
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("output2.txt");

        FileChannel inputChannel = inputStream.getChannel();
        FileChannel outputChannel = outputStream.getChannel();

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

        while(true){
            //每一次讀取之前都將buffer狀態(tài)初始化
            buffer.clear();
            int read = inputChannel.read(buffer);

            System.out.println("read：" + read);

            if(-1 == read){
                break;
            }
            buffer.flip();
            outputChannel.write(buffer);
        }

        inputChannel.close();
        outputChannel.close();
    }
}

2.5讨衣、MappedByteBuffer 內(nèi)存映射文件
文件的內(nèi)容直接映射到內(nèi)存里面换棚，在內(nèi)存中任何的信息修改，最終都會被寫入到磁盤文件中反镇，即MappedByteBuffer是一種允許java程序直接從內(nèi)存訪問的特殊的文件固蚤，可以將整個文件或整個文件的一部分映射到內(nèi)存中，由操作系統(tǒng)負責將頁面請求的內(nèi)存數(shù)據(jù)修改寫入到文件中愿险。應用程序只需要處理內(nèi)存的數(shù)據(jù)颇蜡，這樣可以實現(xiàn)迅速的IO操作，用于內(nèi)存映射文件的這個內(nèi)存是堆外內(nèi)存

public class NioTest9 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("NioTest9.txt","rw");
        FileChannel fileChannel = randomAccessFile.getChannel();

        MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 6);

        mappedByteBuffer.put(0, (byte) 'a');
        mappedByteBuffer.put(4, (byte) 'b');

        randomAccessFile.close();
    }
}

3. 小結(jié)
   與Stream相比辆亏，Buffer引入了更多的概念和復雜性风秤，這一切的努力都是為了實現(xiàn)NIO的經(jīng)典編程模式，即用一個線程來控制多路IO扮叨，從而極大的提高服務器端IO效率缤弦。Buffer、Channel和Selector共同實現(xiàn)了NIO的編程模式彻磁，其中Buffer也可以被獨立的使用碍沐，用來完成緩沖區(qū)的功能。

參考：
Java NIO編程實例之一Buffer

Java NIO通俗編程之緩沖區(qū)內(nèi)部細節(jié)狀態(tài)變量position,limit,capacity(二)

Java NIO：Buffer衷蜓、Channel 和 Selector