深刻浅出NIO之Channel、Buffer

时间 2019-11-08

标签深刻 nio channel buffer 栏目 Netty 繁體版

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前言

Java NIO 由如下几个核心部分组成：
1 、Buffer
二、Channel
三、Selector数组

传统的IO操做面向数据流，意味着每次从流中读一个或多个字节，直至完成，数据没有被缓存在任何地方。缓存

NIO操做面向缓冲区，数据从Channel读取到Buffer缓冲区，随后在Buffer中处理数据。app

本文着重介绍Channel和Buffer的概念以及在文件读写方面的应用和内部实现原理。dom

Buffer

A buffer is a linear, finite sequence of elements of a specific primitive type.异步

一块缓存区，内部使用字节数组存储数据，并维护几个特殊变量，实现数据的反复利用。
一、mark：初始值为-1，用于备份当前的position;
二、position：初始值为0，position表示当前能够写入或读取数据的位置，当写入或读取一个数据后，position向前移动到下一个位置；
三、limit：写模式下，limit表示最多能往Buffer里写多少数据，等于capacity值；读模式下，limit表示最多能够读取多少数据。
四、capacity：缓存数组大小jvm

mark()：把当前的position赋值给marksocket

public final Buffer mark() {
    mark = position;
    return this;
}

reset()：把mark值还原给positionthis

public final Buffer reset() {
    int m = mark;
    if (m < 0)
        throw new InvalidMarkException();
    position = m;
    return this;
}

clear()：一旦读完Buffer中的数据，须要让Buffer准备好再次被写入，clear会恢复状态值，但不会擦除数据。spa

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

flip()：Buffer有两种模式，写模式和读模式，flip后Buffer从写模式变成读模式。code

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

rewind()：重置position为0，从头读写数据。

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

目前Buffer的实现类有如下几种：

ByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer
MappedByteBuffer

ByteBuffer

A byte buffer，extend from Buffer

ByteBuffer的实现类包括"HeapByteBuffer"和"DirectByteBuffer"两种。

HeapByteBuffer

public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
    if (capacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}
HeapByteBuffer(int cap, int lim) {  
    super(-1, 0, lim, cap, new byte[cap], 0);
}

HeapByteBuffer经过初始化字节数组hd，在虚拟机堆上申请内存空间。

DirectByteBuffer

public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
    return new DirectByteBuffer(capacity);
}
DirectByteBuffer(int cap) {
    super(-1, 0, cap, cap);
    boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
    int ps = Bits.pageSize();
    long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
    Bits.reserveMemory(size, cap);

    long base = 0;
    try {
        base = unsafe.allocateMemory(size);
    } catch (OutOfMemoryError x) {
        Bits.unreserveMemory(size, cap);
        throw x;
    }
    unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
    if (pa && (base % ps != 0)) {
        // Round up to page boundary
        address = base + ps - (base & (ps - 1));
    } else {
        address = base;
    }
    cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
    att = null;
}

DirectByteBuffer经过unsafe.allocateMemory申请堆外内存，并在ByteBuffer的address变量中维护指向该内存的地址。
unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0)方法把新申请的内存数据清零。

Channel

A channel represents an open connection to an entity such as a hardware device, a file, a network socket, or a program component that is capable of performing one or more distinct I/O operations, for example reading or writing.

NIO把它支持的I/O对象抽象为Channel，Channel又称“通道”，相似于原I/O中的流（Stream），但有所区别：
一、流是单向的，通道是双向的，可读可写。
二、流读写是阻塞的，通道能够异步读写。
三、流中的数据能够选择性的先读到缓存中，通道的数据老是要先读到一个缓存中，或从缓存中写入，以下所示：

目前已知Channel的实现类有：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

FileChannel

A channel for reading, writing, mapping, and manipulating a file.
一个用来写、读、映射和操做文件的通道。

FileChannel的read、write和map经过其实现类FileChannelImpl实现。

read实现

public int read(ByteBuffer dst) throws IOException {
    ensureOpen();
    if (!readable)
        throw new NonReadableChannelException();
    synchronized (positionLock) {
        int n = 0;
        int ti = -1;
        try {
            begin();
            ti = threads.add();
            if (!isOpen())
                return 0;
            do {
                n = IOUtil.read(fd, dst, -1, nd);
            } while ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen());
            return IOStatus.normalize(n);
        } finally {
            threads.remove(ti);
            end(n > 0);
            assert IOStatus.check(n);
        }
    }
}

FileChannelImpl的read方法经过IOUtil的read实现：

static int read(FileDescriptor fd, ByteBuffer dst, long position,
                NativeDispatcher nd) IOException {
    if (dst.isReadOnly())
        throw new IllegalArgumentException("Read-only buffer");
    if (dst instanceof DirectBuffer)
        return readIntoNativeBuffer(fd, dst, position, nd);

    // Substitute a native buffer
    ByteBuffer bb = Util.getTemporaryDirectBuffer(dst.remaining());
    try {
        int n = readIntoNativeBuffer(fd, bb, position, nd);
        bb.flip();
        if (n > 0)
            dst.put(bb);
        return n;
    } finally {
        Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(bb);
    }
}

经过上述实现能够看出，基于channel的文件数据读取步骤以下：
一、申请一块和缓存同大小的DirectByteBuffer bb。
二、读取数据到缓存bb，底层由NativeDispatcher的read实现。
三、把bb的数据读取到dst（用户定义的缓存，在jvm中分配内存）。
read方法致使数据复制了两次。

write实现

public int write(ByteBuffer src) throws IOException {
    ensureOpen();
    if (!writable)
        throw new NonWritableChannelException();
    synchronized (positionLock) {
        int n = 0;
        int ti = -1;
        try {
            begin();
            ti = threads.add();
            if (!isOpen())
                return 0;
            do {
                n = IOUtil.write(fd, src, -1, nd);
            } while ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen());
            return IOStatus.normalize(n);
        } finally {
            threads.remove(ti);
            end(n > 0);
            assert IOStatus.check(n);
        }
    }
}

和read实现同样，FileChannelImpl的write方法经过IOUtil的write实现：

static int write(FileDescriptor fd, ByteBuffer src, long position,
                 NativeDispatcher nd) throws IOException {
    if (src instanceof DirectBuffer)
        return writeFromNativeBuffer(fd, src, position, nd);
    // Substitute a native buffer
    int pos = src.position();
    int lim = src.limit();
    assert (pos <= lim);
    int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);
    ByteBuffer bb = Util.getTemporaryDirectBuffer(rem);
    try {
        bb.put(src);
        bb.flip();
        // Do not update src until we see how many bytes were written
        src.position(pos);
        int n = writeFromNativeBuffer(fd, bb, position, nd);
        if (n > 0) {
            // now update src
            src.position(pos + n);
        }
        return n;
    } finally {
        Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(bb);
    }
}

经过上述实现能够看出，基于channel的文件数据写入步骤以下：
一、申请一块DirectByteBuffer，bb大小为byteBuffer中的limit - position。
二、复制byteBuffer中的数据到bb中。
三、把数据从bb中写入到文件，底层由NativeDispatcher的write实现，具体以下：

private static int writeFromNativeBuffer(FileDescriptor fd, 
        ByteBuffer bb, long position, NativeDispatcher nd)
    throws IOException {
    int pos = bb.position();
    int lim = bb.limit();
    assert (pos <= lim);
    int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);

    int written = 0;
    if (rem == 0)
        return 0;
    if (position != -1) {
        written = nd.pwrite(fd,
                            ((DirectBuffer)bb).address() + pos,
                            rem, position);
    } else {
        written = nd.write(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos, rem);
    }
    if (written > 0)
        bb.position(pos + written);
    return written;
}

write方法也致使了数据复制了两次

Channel和Buffer示例

File file = new RandomAccessFile("data.txt", "rw");
FileChannel channel = file.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = channel.read(buffer);
while (bytesRead != -1) {
    System.out.println("Read " + bytesRead);
    buffer.flip();
    while(buffer.hasRemaining()){
        System.out.print((char) buffer.get());
    }
    buffer.clear();
    bytesRead = channel.read(buffer);
}
file.close();

注意buffer.flip() 的调用，首先将数据写入到buffer，而后变成读模式，再从buffer中读取数据。

总结

经过本文的介绍，但愿你们对Channel和Buffer在文件读写方面的应用和内部实现有了必定了解，努力作到不被一叶障目。

做者：占小狼连接：https://www.jianshu.com/p/052035037297 來源：简书著做权归做者全部。商业转载请联系做者得到受权，非商业转载请注明出处。