转：Java NIO

时间  2019-11-18
标签 java nio 栏目 Java 繁體版
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Java NIO（New IO）是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，能够替代标准的Java IO API。本系列教程将有助于你学习和理解Java NIO。感谢并发编程网的翻译和投递。

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Java NIO提供了与标准IO不一样的IO工做方式：

  • Channels and Buffers（通道和缓冲区）：标准的IO基于字节流和字符流进行操做的，而NIO是基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行操做，数据老是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。
  • Asynchronous IO（异步IO）：Java NIO可让你异步的使用IO，例如：当线程从通道读取数据到缓冲区时，线程仍是能够进行其余事情。当数据被写入到缓冲区时，线程能够继续处理它。从缓冲区写入通道也相似。
  • Selectors（选择器）：Java NIO引入了选择器的概念，选择器用于监听多个通道的事件（好比：链接打开，数据到达）。所以，单个的线程能够监听多个数据通道。
下面就来详细介绍Java NIO的相关知识。

Java NIO 概述 Top


（本部分 原文连接，做者：Jakob Jenkov， 译者：airu，校对：丁一）
Java NIO 由如下几个核心部分组成：

  • Channels
  • Buffers
  • Selectors
虽然Java NIO 中除此以外还有不少类和组件，但在我看来，Channel，Buffer 和 Selector 构成了核心的API。其它组件，如Pipe和FileLock，只不过是与三个核心组件共同使用的工具类。所以，在概述中我将集中在这三个组件上。其它组 件会在单独的章节中讲到。

Channel 和 Buffer

基本上，全部的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 有点象流。 数据能够从Channel读到Buffer中，也能够从Buffer 写到Channel中。这里有个图示：



Channel和Buffer有好几种类型。下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的实现：

  • FileChannel
  • DatagramChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel
正如你所看到的，这些通道涵盖了UDP 和 TCP 网络IO，以及文件IO。

与这些类一块儿的有一些有趣的接口，但为简单起见，我尽可能在概述中不提到它们。本教程其它章节与它们相关的地方我会进行解释。

如下是Java NIO里关键的Buffer实现：

  • ByteBuffer
  • CharBuffer
  • DoubleBuffer
  • FloatBuffer
  • IntBuffer
  • LongBuffer
  • ShortBuffer
这些Buffer覆盖了你能经过IO发送的基本数据类型：byte, short, int, long, float, double 和 char。

Java NIO 还有个 Mappedyteuffer，用于表示内存映射文件， 我也不打算在概述中说明。

Selector

Selector容许单线程处理多个 Channel。若是你的应用打开了多个链接（通道），但每一个链接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如，在一个聊天服务器中。

这是在一个单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示：



要使用Selector，得向Selector注册Channel，而后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就能够处理这些事件，事件的例子有如新链接进来，数据接收等。


Java NIO vs. IO Top



（本部分 原文地址，做者：Jakob Jenkov，译者：郭蕾，校对：方腾飞）
当学习了Java NIO和IO的API后，一个问题立刻涌入脑海：

引用
我应该什么时候使用IO，什么时候使用NIO呢？在本文中，我会尽可能清晰地解析Java NIO和IO的差别、它们的使用场景，以及它们如何影响您的代码设计。


Java NIO和IO的主要区别

下表总结了Java NIO和IO之间的主要差异，我会更详细地描述表中每部分的差别。

IO NIO
Stream oriented Buffer oriented
Blocking IO Non blocking IO
  Selectors


面向流与面向缓冲

Java NIO和IO之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取全部字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能先后移动流中的数据。若是须要先后移动从流中读 取的数据，须要先将它缓存到一个缓冲区。 Java NIO的缓冲导向方法略有不一样。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，须要时可在缓冲区中先后移动。这就增长了处理过程当中的灵活性。可是，还须要检查是否该 缓冲区中包含全部您须要处理的数据。并且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里还没有处理的数据。

阻塞与非阻塞IO

Java IO的各类流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据彻底写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，可是它仅能获得目前可用的数据，若是目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻 塞，因此直至数据变的能够读取以前，该线程能够继续作其余的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不须要等待它彻底写入，这个线程同时能够去作别的事情。 线程一般将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操做，因此一个单独的线程如今能够管理多个输入和输出通道（channel）。

选择器（Selectors）

Java NIO的选择器容许一个单独的线程来监视多个输入通道，你能够注册多个通道使用一个选择器，而后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有能够处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。

NIO和IO如何影响应用程序的设计

不管您选择IO或NIO工具箱，可能会影响您应用程序设计的如下几个方面：

  • 对NIO或IO类的API调用。
  • 数据处理。
  • 用来处理数据的线程数。
API调用

固然，使用NIO的API调用时看起来与使用IO时有所不一样，但这并不意外，由于并非仅从一个InputStream逐字节读取，而是数据必须先读入缓冲区再处理。

数据处理

使用纯粹的NIO设计相较IO设计，数据处理也受到影响。

在IO设计中，咱们从InputStream或 Reader逐字节读取数据。假设你正在处理一基于行的文本数据流，例如：

代码
  1. Name: Anna  
  2. Age: 25  
  3. Email: anna@mailserver.com  
  4. Phone: 1234567890  


该文本行的流能够这样处理：

Java代码
  1. InputStream input = … ; // get the InputStream from the client socket  
  2. BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));  
  3.   
  4. String nameLine   = reader.readLine();  
  5. String ageLine    = reader.readLine();  
  6. String emailLine  = reader.readLine();  
  7. String phoneLine  = reader.readLine();  


请注意处理状态由程序执行多久决定。换句话说，一旦reader.readLine()方法返回，你就知道确定文本行就已读完， readline()阻塞直到整行读完，这就是缘由。你也知道此行包含名称；一样，第二个readline()调用返回的时候，你知道这行包含年龄等。 正如你能够看到，该处理程序仅在有新数据读入时运行，并知道每步的数据是什么。一旦正在运行的线程已处理过读入的某些数据，该线程不会再回退数据（大多如 此）。下图也说明了这条原则：


从一个阻塞的流中读数据


而一个NIO的实现会有所不一样，下面是一个简单的例子：

Java代码
  1. ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);  
  2.   
  3. int bytesRead = inChannel.read(buffer);  


注意第二行，从通道读取字节到ByteBuffer。当这个方法调用返回时，你不知道你所需的全部数据是否在缓冲区内。你所知道的是，该缓冲区包含一些字节，这使得处理有点困难。
假设第一次 read(buffer)调用后，读入缓冲区的数据只有半行，例如，“Name:An”，你能处理数据吗？显然不能，须要等待，直到整行数据读入缓存，在此以前，对数据的任何处理毫无心义。

因此，你怎么知道是否该缓冲区包含足够的数据能够处理呢？好了，你不知道。发现的方法只能查看缓冲区中的数据。其结果是，在你知道全部数据都在缓冲区里以前，你必须检查几回缓冲区的数据。这不只效率低下，并且可使程序设计方案杂乱不堪。例如：

Java代码
  1. ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);  
  2. int bytesRead = inChannel.read(buffer);  
  3. while(! bufferFull(bytesRead) ) {  
  4. bytesRead = inChannel.read(buffer);  
  5. }  


bufferFull()方法必须跟踪有多少数据读入缓冲区，并返回真或假，这取决于缓冲区是否已满。换句话说，若是缓冲区准备好被处理，那么表示缓冲区满了。

bufferFull()方法扫描缓冲区，但必须保持在bufferFull（）方法被调用以前状态相同。若是没有，下一个读入缓冲区的数据可能没法读到正确的位置。这是不可能的，但倒是须要注意的又一问题。

若是缓冲区已满，它能够被处理。若是它不满，而且在你的实际案例中有意义，你或许能处理其中的部分数据。可是许多状况下并不是如此。下图展现了“缓冲区数据循环就绪”：


从一个通道里读数据，直到全部的数据都读到缓冲区里


总结

NIO可以让您只使用一个（或几个）单线程管理多个通道（网络链接或文件），但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。

若是须要管理同时打开的成千上万个链接，这些链接每次只是发送少许的数据，例如聊天服务器，实现NIO的服务器多是一个优点。一样，若是你须要 维持许多打开的链接到其余计算机上，如P2P网络中，使用一个单独的线程来管理你全部出站链接，多是一个优点。一个线程多个链接的设计方案以下图所示：


单线程管理多个链接


若是你有少许的链接使用很是高的带宽，一次发送大量的数据，也许典型的IO服务器实现可能很是契合。下图说明了一个典型的IO服务器设计：


一个典型的IO服务器设计：一个链接经过一个线程处理


通道（Channel） Top



（本部分 原文连接，做者：Jakob Jenkov，译者：airu，校对：丁一）
Java NIO的通道相似流，但又有些不一样：

  • 既能够从通道中读取数据，又能够写数据到通道。但流的读写一般是单向的。
  • 通道能够异步地读写。
  • 通道中的数据老是要先读到一个Buffer，或者老是要从一个Buffer中写入。
正如上面所说，从通道读取数据到缓冲区，从缓冲区写入数据到通道。以下图所示：



Channel的实现

这些是Java NIO中最重要的通道的实现：

  • FileChannel：从文件中读写数据。
  • DatagramChannel：能经过UDP读写网络中的数据。
  • SocketChannel：能经过TCP读写网络中的数据。
  • ServerSocketChannel：能够监听新进来的TCP链接，像Web服务器那样。对每个新进来的链接都会建立一个SocketChannel。
基本的 Channel 示例

下面是一个使用FileChannel读取数据到Buffer中的示例：

Java代码
  1. RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");  
  2. FileChannel inChannel = aFile.getChannel();  
  3.   
  4. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
  5.   
  6. int bytesRead = inChannel.read(buf);  
  7. while (bytesRead != -1) {  
  8.   
  9. System.out.println("Read " + bytesRead);  
  10. buf.flip();  
  11.   
  12. while(buf.hasRemaining()){  
  13. System.out.print((char) buf.get());  
  14. }  
  15.   
  16. buf.clear();  
  17. bytesRead = inChannel.read(buf);  
  18. }  
  19. aFile.close();  


注意 buf.flip() 的调用，首先读取数据到Buffer，而后反转Buffer,接着再从Buffer中读取数据。下一节会深刻讲解Buffer的更多细节。



缓冲区（Buffer） Top



（本部分 原文连接，做者：Jakob Jenkov，译者：airu，校对：丁一）
Java NIO中的Buffer用于和NIO通道进行交互。如你所知，数据是从通道读入缓冲区，从缓冲区写入到通道中的。

缓冲区本质上是一块能够写入数据，而后能够从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

Buffer的基本用法

使用Buffer读写数据通常遵循如下四个步骤：

  • 写入数据到Buffer
  • 调用flip()方法
  • 从Buffer中读取数据
  • 调用clear()方法或者compact()方法

当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，须要经过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下，能够读取以前写入到buffer的全部数据。

一旦读完了全部的数据，就须要清空缓冲区，让它能够再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用clear()或compact()方法。 clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区 未读数据的后面。

下面是一个使用Buffer的例子：

Java代码
  1. RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");  
  2. FileChannel inChannel = aFile.getChannel();  
  3.   
  4. //create buffer with capacity of 48 bytes  
  5. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
  6.   
  7. int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.  
  8. while (bytesRead != -1) {  
  9.   
  10.   buf.flip();  //make buffer ready for read  
  11.   
  12.   while(buf.hasRemaining()){  
  13.       System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time  
  14.   }  
  15.   
  16.   buf.clear(); //make buffer ready for writing  
  17.   bytesRead = inChannel.read(buf);  
  18. }  
  19. aFile.close();  


Buffer的capacity,position和limit

缓冲区本质上是一块能够写入数据，而后能够从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该块内存。

为了理解Buffer的工做原理，须要熟悉它的三个属性：

  • capacity
  • position
  • limit

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式仍是写模式。无论Buffer处在什么模式，capacity的含义老是同样的。

这里有一个关于capacity，position和limit在读写模式中的说明，详细的解释在插图后面。



capacity

做为一个内存块，Buffer有一个固定的大小值，也叫“capacity”.你只能往里写capacity个byte、long，char等类型。一旦Buffer满了，须要将其清空（经过读数据或者清除数据）才能继续写数据往里写数据。

position

当你写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。初始的position值为0.当一个byte、long等数据写到 Buffer后， position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity – 1。

当读取数据时，也是从某个特定位置读。当将Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0。当从Buffer的position处读取数据时，position向前移动到下一个可读的位置。

limit

在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。 写模式下，limit等于Buffer的capacity。

当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据。所以，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值。换句话说，你能读到以前 写入的全部数据（limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position）

Buffer的类型

Java NIO 有如下Buffer类型：

  • ByteBuffer
  • MappedByteBuffer
  • CharBuffer
  • DoubleBuffer
  • FloatBuffer
  • IntBuffer
  • LongBuffer
  • ShortBuffer

如你所见，这些Buffer类型表明了不一样的数据类型。换句话说，就是能够经过char，short，int，long，float 或 double类型来操做缓冲区中的字节。

MappedByteBuffer 有些特别，在涉及它的专门章节中再讲。

Buffer的分配

要想得到一个Buffer对象首先要进行分配。 每个Buffer类都有一个allocate方法。下面是一个分配48字节capacity的ByteBuffer的例子。

Java代码
  1. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  


这是分配一个可存储1024个字符的CharBuffer：

Java代码
  1. CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);  


向Buffer中写数据

写数据到Buffer有两种方式：

  • 从Channel写到Buffer。
  • 经过Buffer的put()方法写到Buffer里。

从Channel写到Buffer的例子

Java代码
  1. int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.  


经过put方法写Buffer的例子：

Java代码
  1. buf.put(127);  


put方法有不少版本，容许你以不一样的方式把数据写入到Buffer中。例如， 写到一个指定的位置，或者把一个字节数组写入到Buffer。 更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

flip()方法

flip方法将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0，并将limit设置成以前position的值。

换句话说，position如今用于标记读的位置，limit表示以前写进了多少个byte、char等 —— 如今能读取多少个byte、char等。

从Buffer中读取数据

从Buffer中读取数据有两种方式：

  • 从Buffer读取数据到Channel。
  • 使用get()方法从Buffer中读取数据。

从Buffer读取数据到Channel的例子：

Java代码
  1. //read from buffer into channel.  
  2. int bytesWritten = inChannel.write(buf);  


使用get()方法从Buffer中读取数据的例子

Java代码
  1. byte aByte = buf.get();  


get方法有不少版本，容许你以不一样的方式从Buffer中读取数据。例如，从指定position读取，或者从Buffer中读取数据到字节数组。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

rewind()方法

Buffer.rewind()将position设回0，因此你能够重读Buffer中的全部数据。limit保持不变，仍然表示能从Buffer中读取多少个元素（byte、char等）。

clear()与compact()方法

一旦读完Buffer中的数据，须要让Buffer准备好再次被写入。能够经过clear()或compact()方法来完成。

若是调用的是clear()方法，position将被设回0，limit被设置成 capacity的值。换句话说，Buffer 被清空了。Buffer中的数据并未清除，只是这些标记告诉咱们能够从哪里开始往Buffer里写数据。

若是Buffer中有一些未读的数据，调用clear()方法，数据将“被遗忘”，意味着再也不有任何标记会告诉你哪些数据被读过，哪些尚未。

若是Buffer中仍有未读的数据，且后续还须要这些数据，可是此时想要先先写些数据，那么使用compact()方法。

compact()方法将全部未读的数据拷贝到Buffer起始处。而后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法同样，设置成capacity。如今Buffer准备好写数据了，可是不会覆盖未读的数据。

mark()与reset()方法

经过调用Buffer.mark()方法，能够标记Buffer中的一个特定position。以后能够经过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。例如：

Java代码
  1. buffer.mark();  
  2.   
  3. //call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.  
  4.   
  5. buffer.reset();  //set position back to mark.  


equals()与compareTo()方法

可使用equals()和compareTo()方法两个Buffer。

equals()

当知足下列条件时，表示两个Buffer相等：

  • 有相同的类型（byte、char、int等）。
  • Buffer中剩余的byte、char等的个数相等。
  • Buffer中全部剩余的byte、char等都相同。

如你所见，equals只是比较Buffer的一部分，不是每个在它里面的元素都比较。实际上，它只比较Buffer中的剩余元素。

compareTo()方法

compareTo()方法比较两个Buffer的剩余元素(byte、char等)， 若是知足下列条件，则认为一个Buffer“小于”另外一个Buffer：

  • 第一个不相等的元素小于另外一个Buffer中对应的元素。
  • 全部元素都相等，但第一个Buffer比另外一个先耗尽(第一个Buffer的元素个数比另外一个少)。

（译注：剩余元素是从 position到limit之间的元素）



分散（Scatter）/汇集（Gather） Top


（本部分 原文地址，做者：Jakob Jenkov   译者：郭蕾）

Java NIO开始支持scatter/gather，scatter/gather用于描述从Channel（译者注：Channel在中文常常翻译为通道）中读取或者写入到Channel的操做。

分散（scatter）从Channel中读取是指在读操做时将读取的数据写入多个buffer中。所以，Channel将从Channel中读取的数据“分散（scatter）”到多个Buffer中。

汇集（gather）写入Channel是指在写操做时将多个buffer的数据写入同一个Channel，所以，Channel 将多个Buffer中的数据“汇集（gather）”后发送到Channel。

scatter / gather常常用于须要将传输的数据分开处理的场合，例如传输一个由消息头和消息体组成的消息，你可能会将消息体和消息头分散到不一样的buffer中，这样你能够方便的处理消息头和消息体。

Scattering Reads

Scattering Reads是指数据从一个channel读取到多个buffer中。以下图描述：



代码示例以下：

Java代码
  1. ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);  
  2. ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);  
  3.   
  4. ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };  
  5.   
  6. channel.read(bufferArray);  


注意buffer首先被插入到数组，而后再将数组做为channel.read() 的输入参数。read()方法按照buffer在数组中的顺序将从channel中读取的数据写入到buffer，当一个buffer被写满 后，channel紧接着向另外一个buffer中写。

Scattering Reads在移动下一个buffer前，必须填满当前的buffer，这也意味着它不适用于动态消息(译者注：消息大小不固定)。换句话说，若是存在消息 头和消息体，消息头必须完成填充（例如 128byte），Scattering Reads才能正常工做。

Gathering Writes

Gathering Writes是指数据从多个buffer写入到同一个channel。以下图描述：



代码示例以下：

Java代码
  1. ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);  
  2. ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);  
  3.   
  4. //write data into buffers  
  5.   
  6. ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };  
  7.   
  8. channel.write(bufferArray);  


buffers数组是write()方法的入参，write()方法会按照buffer在数组中的顺序，将数据写入到channel，注意只有 position和limit之间的数据才会被写入。所以，若是一个buffer的容量为128byte，可是仅仅包含58byte的数据，那么这 58byte的数据将被写入到channel中。所以与Scattering Reads相反，Gathering Writes能较好的处理动态消息。



通道之间的数据传输 Top



（本部分 原文地址，做者：Jakob Jenkov，译者：郭蕾，校对：周泰）
在Java NIO中，若是两个通道中有一个是FileChannel，那你能够直接将数据从一个channel（译者注：channel中文常译做通道）传输到另一个channel。

transferFrom()

FileChannel的transferFrom()方法能够将数据从源通道传输到FileChannel中（译者注：这个方法在JDK文档中的解释为将字节从给定的可读取字节通道传输到此通道的文件中）。下面是一个简单的例子：

Java代码
  1. RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("fromFile.txt", "rw");  
  2. FileChannel      fromChannel = fromFile.getChannel();  
  3.   
  4. RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("toFile.txt", "rw");  
  5. FileChannel      toChannel = toFile.getChannel();  
  6.   
  7. long position = 0;  
  8. long count = fromChannel.size();  
  9.   
  10. toChannel.transferFrom(position, count, fromChannel);  


方法的输入参数position表示从position处开始向目标文件写入数据，count表示最多传输的字节数。若是源通道的剩余空间小于 count 个字节，则所传输的字节数要小于请求的字节数。

此外要注意，在SoketChannel的实现中，SocketChannel只会传输此刻准备好的数据（可能不足count字节）。所以，SocketChannel可能不会将请求的全部数据(count个字节)所有传输到FileChannel中。

transferTo()

transferTo()方法将数据从FileChannel传输到其余的channel中。下面是一个简单的例子：

Java代码
  1. RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("fromFile.txt", "rw");  
  2. FileChannel      fromChannel = fromFile.getChannel();  
  3.   
  4. RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("toFile.txt", "rw");  
  5. FileChannel      toChannel = toFile.getChannel();  
  6.   
  7. long position = 0;  
  8. long count = fromChannel.size();  
  9.   
  10. fromChannel.transferTo(position, count, toChannel);  


是否是发现这个例子和前面那个例子特别类似？除了调用方法的FileChannel对象不同外，其余的都同样。

上面所说的关于SocketChannel的问题在transferTo()方法中一样存在。SocketChannel会一直传输数据直到目标buffer被填满。



选择器（Selector） Top


（本部分 原文连接，做者：Jakob Jenkov，译者：浪迹v，校对：丁一）
Selector（选择器）是Java NIO中可以检测一到多个NIO通道，并可以知晓通道是否为诸如读写事件作好准备的组件。这样，一个单独的线程能够管理多个channel，从而管理多个网络链接。

(1)  为何使用Selector?

仅用单个线程来处理多个Channels的好处是，只须要更少的线程来处理通道。事实上，能够只用一个线程处理全部的通道。对于操做系统来讲，线程之间上下文切换的开销很大，并且每一个线程都要占用系统的一些资源（如内存）。所以，使用的线程越少越好。

可是，须要记住，现代的操做系统和CPU在多任务方面表现的愈来愈好，因此多线程的开销随着时间的推移，变得愈来愈小了。实际上，若是一个CPU 有多个内核，不使用多任务多是在浪费CPU能力。无论怎么说，关于那种设计的讨论应该放在另外一篇不一样的文章中。在这里，只要知道使用Selector能 够处理多个通道就足够了。

下面是单线程使用一个Selector处理3个channel的示例图：

(2)  Selector的建立

经过调用Selector.open()方法建立一个Selector，以下：

Java代码
  1. Selector selector = Selector.open();  


(3) 向Selector注册通道

为了将Channel和Selector配合使用，必须将channel注册到selector上。经过SelectableChannel.register()方法来实现，以下：

Java代码
  1. channel.configureBlocking(false);  
  2. SelectionKey key = channel.register(selector,  
  3.     Selectionkey.OP_READ);  


与Selector一块儿使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一块儿使用，由于FileChannel不能切换到非阻塞模式。而套接字通道均可以。

注意register()方法的第二个参数。这是一个“interest集合”，意思是在经过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。能够监听四种不一样类型的事件：

  • Connect
  • Accept
  • Read
  • Write
通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。因此，某个channel成功链接到另外一个服务器称为“链接就绪”。一个server socket channel准备好接收新进入的链接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道能够说是“读就绪”。等待写数据的通道能够说是“写就绪”。

这四种事件用SelectionKey的四个常量来表示：

  • SelectionKey.OP_CONNECT
  • SelectionKey.OP_ACCEPT
  • SelectionKey.OP_READ
  • SelectionKey.OP_WRITE
若是你对不止一种事件感兴趣，那么能够用“位或”操做符将常量链接起来，以下：

Java代码
  1. int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;  


在下面还会继续提到interest集合。

(4)  SelectionKey

在上一小节中，当向Selector注册Channel时，register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性：

  • interest集合
  • ready集合
  • Channel
  • Selector
  • 附加的对象（可选）
下面我会描述这些属性。

interest集合

就像向Selector注册通道一节中所描述的，interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。能够经过SelectionKey读写interest集合，像这样：

Java代码
  1. int interestSet = selectionKey.interestOps();  
  2.   
  3. boolean isInterestedInAccept  = (interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT；  
  4. boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;  
  5. boolean isInterestedInRead    = interestSet & SelectionKey.OP_READ;  
  6. boolean isInterestedInWrite   = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;  


能够看到，用“位与”操做interest 集合和给定的SelectionKey常量，能够肯定某个肯定的事件是否在interest 集合中。

ready集合

ready 集合是通道已经准备就绪的操做的集合。在一次选择(Selection)以后，你会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。能够这样访问ready集合：

int readySet = selectionKey.readyOps();

能够用像检测interest集合那样的方法，来检测channel中什么事件或操做已经就绪。可是，也可使用如下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：

Java代码
  1. selectionKey.isAcceptable();  
  2. selectionKey.isConnectable();  
  3. selectionKey.isReadable();  
  4. selectionKey.isWritable();  


Channel + Selector

从SelectionKey访问Channel和Selector很简单。以下：

Java代码
  1. Channel  channel  = selectionKey.channel();  
  2. Selector selector = selectionKey.selector();  


附加的对象

能够将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上，这样就能方便的识别某个给定的通道。例如，能够附加 与通道一块儿使用的Buffer，或是包含汇集数据的某个对象。使用方法以下：

Java代码
  1. selectionKey.attach(theObject);  
  2. Object attachedObj = selectionKey.attachment();  


还能够在用register()方法向Selector注册Channel的时候附加对象。如：

Java代码
  1. SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);  


(5)  经过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一或多个通道，就能够调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如链接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，若是你对“读就绪”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。

下面是select()方法：

  • int select()
  • int select(long timeout)
  • int selectNow()
select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。

select(long timeout)和select()同样，除了最长会阻塞timeout毫秒(参数)。

selectNow()不会阻塞，无论什么通道就绪都马上返回（译者注：此方法执行非阻塞的选择操做。若是自从前一次选择操做后，没有通道变成可选择的，则此方法直接返回零。）。

select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。若是调用 select()方法，由于有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，若是另外一个通道就绪了，它会再次返回1。若是对第一个就 绪的channel没有作任何操做，如今就有两个就绪的通道，但在每次select()方法调用之间，只有一个通道就绪了。

selectedKeys()

一旦调用了select()方法，而且返回值代表有一个或更多个通道就绪了，而后能够经过调用selector的selectedKeys()方法，访问“已选择键集（selected key set）”中的就绪通道。以下所示：

Java代码
  1. Set selectedKeys = selector.selectedKeys();  


当像Selector注册Channel时，Channel.register()方法会返回一个SelectionKey 对象。这个对象表明了注册到该Selector的通道。能够经过SelectionKey的selectedKeySet()方法访问这些对象。

能够遍历这个已选择的键集合来访问就绪的通道。以下：

Java代码
  1. Set selectedKeys = selector.selectedKeys();  
  2. Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();  
  3. while(keyIterator.hasNext()) {  
  4.     SelectionKey key = keyIterator.next();  
  5.     if(key.isAcceptable()) {  
  6.         // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.  
  7.     } else if (key.isConnectable()) {  
  8.         // a connection was established with a remote server.  
  9.     } else if (key.isReadable()) {  
  10.         // a channel is ready for reading  
  11.     } else if (key.isWritable()) {  
  12.         // a channel is ready for writing  
  13.     }  
  14.     keyIterator.<tuihighlight class="tuihighlight"><a href="javascript:;" style="display:inline;float:none;position:inherit;cursor:pointer;color:#7962D5;text-decoration:underline;" onclick="return false;">remove</a></tuihighlight>();  
  15. }  


这个循环遍历已选择键集中的每一个键，并检测各个键所对应的通道的就绪事件。

注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会本身从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时本身移除。下次该通道变成就绪时，Selector会再次将其放入已选择键集中。

SelectionKey.channel()方法返回的通道须要转型成你要处理的类型，如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

(6)  wakeUp()

某个线程调用select()方法后阻塞了，即便没有通道已经就绪，也有办法让其从select()方法返回。只要让其它线程在第一个线程调用 select()方法的那个对象上调用Selector.wakeup()方法便可。阻塞在select()方法上的线程会立马返回。

若是有其它线程调用了wakeup()方法，但当前没有线程阻塞在select()方法上，下个调用select()方法的线程会当即“醒来（wake up）”。

(7)  close()

用完Selector后调用其close()方法会关闭该Selector，且使注册到该Selector上的全部SelectionKey实例无效。通道自己并不会关闭。

(8)  完整的示例

这里有一个完整的示例，打开一个Selector，注册一个通道注册到这个Selector上(通道的初始化过程略去),而后持续监控这个Selector的四种事件（接受，链接，读，写）是否就绪。

Java代码
  1. Selector selector = Selector.open();  
  2. channel.configureBlocking(false);  
  3. SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);  
  4. while(true) {  
  5.   int readyChannels = selector.select();  
  6.   if(readyChannels == 0) continue;  
  7.   Set selectedKeys = selector.selectedKeys();  
  8.   Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();  
  9.   while(keyIterator.hasNext()) {  
  10.     SelectionKey key = keyIterator.next();  
  11.     if(key.isAcceptable()) {  
  12.         // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.  
  13.     } else if (key.isConnectable()) {  
  14.         // a connection was established with a remote server.  
  15.     } else if (key.isReadable()) {  
  16.         // a channel is ready for reading  
  17.     } else if (key.isWritable()) {  
  18.         // a channel is ready for writing  
  19.     }  
  20.     keyIterator.<tuihighlight class="tuihighlight"><a href="javascript:;" style="display:inline;float:none;position:inherit;cursor:pointer;color:#7962D5;text-decoration:underline;" onclick="return false;">remove</a></tuihighlight>();  
  21.   }  
  22. }  


文件通道 Top



（本部分 原文连接，做者：Jakob Jenkov，译者：周泰，校对：丁一）
Java NIO中的FileChannel是一个链接到文件的通道。能够经过文件通道读写文件。

FileChannel没法设置为非阻塞模式，它老是运行在阻塞模式下。

打开FileChannel

在使用FileChannel以前，必须先打开它。可是，咱们没法直接打开一个FileChannel，须要经过使用一个 InputStream、OutputStream或RandomAccessFile来获取一个FileChannel实例。下面是经过 RandomAccessFile打开FileChannel的示例：

Java代码
  1. RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");  
  2. FileChannel inChannel = aFile.getChannel();  


从FileChannel读取数据

调用多个read()方法之一从FileChannel中读取数据。如：

Java代码
  1. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
  2. int bytesRead = inChannel.read(buf);  


首先，分配一个Buffer。从FileChannel中读取的数据将被读到Buffer中。

而后，调用FileChannel.read()方法。该方法将数据从FileChannel读取到Buffer中。read()方法返回的int值表示了有多少字节被读到了Buffer中。若是返回-1，表示到了文件末尾。

向FileChannel写数据

使用FileChannel.write()方法向FileChannel写数据，该方法的参数是一个Buffer。如：

Java代码
  1. String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  
  2.   
  3. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
  4. buf.clear();  
  5. buf.put(newData.getBytes());  
  6.   
  7. buf.flip();  
  8.   
  9. while(buf.hasRemaining()) {  
  10.     channel.write(buf);  
  11. }  


注意FileChannel.write()是在while循环中调用的。由于没法保证write()方法一次能向FileChannel写入多少字节，所以须要重复调用write()方法，直到Buffer中已经没有还没有写入通道的字节。

关闭FileChannel

用完FileChannel后必须将其关闭。如：

Java代码
  1. channel.close();  


FileChannel的position方法

有时可能须要在FileChannel的某个特定位置进行数据的读/写操做。能够经过调用position()方法获取FileChannel的当前位置。

也能够经过调用position(long pos)方法设置FileChannel的当前位置。

这里有两个例子：

Java代码
  1. long pos = channel.position();  
  2. channel.position(pos +123);  


若是将位置设置在文件结束符以后，而后试图从文件通道中读取数据，读方法将返回-1 —— 文件结束标志。

若是将位置设置在文件结束符以后，而后向通道中写数据，文件将撑大到当前位置并写入数据。这可能致使“文件空洞”，磁盘上物理文件中写入的数据间有空隙。

FileChannel的size方法

FileChannel实例的size()方法将返回该实例所关联文件的大小。如：

Java代码
  1. long fileSize = channel.size();  


FileChannel的truncate方法

可使用FileChannel.truncate()方法截取一个文件。截取文件时，文件将中指定长度后面的部分将被删除。如：

Java代码
  1. channel.truncate(1024);  


这个例子截取文件的前1024个字节。

FileChannel的force方法

FileChannel.force()方法将通道里还没有写入磁盘的数据强制写到磁盘上。出于性能方面的考虑，操做系统会将数据缓存在内存中，因此没法保证写入到FileChannel里的数据必定会即时写到磁盘上。要保证这一点，须要调用force()方法。

force()方法有一个boolean类型的参数，指明是否同时将文件元数据（权限信息等）写到磁盘上。

下面的例子同时将文件数据和元数据强制写到磁盘上：

Java代码
  1. channel.force(true);  


Socket 通道 Top



（本部分 原文连接，做者：Jakob Jenkov，译者：郑玉婷，校对：丁一）
Java NIO中的SocketChannel是一个链接到TCP网络套接字的通道。能够经过如下2种方式建立SocketChannel：

  • 打开一个SocketChannel并链接到互联网上的某台服务器。
  • 一个新链接到达ServerSocketChannel时，会建立一个SocketChannel。
打开 SocketChannel

下面是SocketChannel的打开方式：

Java代码
  1. SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();  
  2. socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));  


关闭 SocketChannel

当用完SocketChannel以后调用SocketChannel.close()关闭SocketChannel：

Java代码
  1. socketChannel.close();  


从 SocketChannel 读取数据

要从SocketChannel中读取数据，调用一个read()的方法之一。如下是例子：

Java代码
  1. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
  2. int bytesRead = socketChannel.read(buf);  


首先，分配一个Buffer。从SocketChannel读取到的数据将会放到这个Buffer中。

而后，调用SocketChannel.read()。该方法将数据从SocketChannel 读到Buffer中。read()方法返回的int值表示读了多少字节进Buffer里。若是返回的是-1，表示已经读到了流的末尾（链接关闭了）。

写入 SocketChannel

写数据到SocketChannel用的是SocketChannel.write()方法，该方法以一个Buffer做为参数。示例以下：

Java代码
  1. String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  
  2.   
  3. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
  4. buf.clear();  
  5. buf.put(newData.getBytes());  
  6.   
  7. buf.flip();  
  8.   
  9. while(buf.hasRemaining()) {  
  10.     channel.write(buf);  
  11. }  


注意SocketChannel.write()方法的调用是在一个while循环中的。Write()方法没法保证能写多少字节到SocketChannel。因此，咱们重复调用write()直到Buffer没有要写的字节为止。

非阻塞模式

能够设置 SocketChannel 为非阻塞模式（non-blocking mode）.设置以后，就能够在异步模式下调用connect(), read() 和write()了。

connect()

若是SocketChannel在非阻塞模式下，此时调用connect()，该方法可能在链接创建以前就返回了。为了肯定链接是否创建，能够调用finishConnect()的方法。像这样：

Java代码
  1. socketChannel.configureBlocking(false);  
  2. socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));  
  3.   
  4. while(! socketChannel.finishConnect() ){  
  5.     //wait, or do something else...  
  6. }  


write()

非阻塞模式下，write()方法在还没有写出任何内容时可能就返回了。因此须要在循环中调用write()。前面已经有例子了，这里就不赘述了。

read()

非阻塞模式下,read()方法在还没有读取到任何数据时可能就返回了。因此须要关注它的int返回值，它会告诉你读取了多少字节。

非阻塞模式与选择器

非阻塞模式与选择器搭配会工做的更好，经过将一或多个SocketChannel注册到Selector，能够询问选择器哪一个通道已经准备好了读取，写入等。Selector与SocketChannel的搭配使用会在后面详讲。



ServerSocket 通道 Top


（本部分 原文连接，做者：Jakob Jenkov，译者：郑玉婷，校对：丁一）
Java NIO中的 ServerSocketChannel 是一个能够监听新进来的TCP链接的通道，就像标准IO中的ServerSocket同样。ServerSocketChannel类在 java.nio.channels包中。

这里有个例子：

Java代码
  1. ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();  
  2.   
  3. serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));  
  4.   
  5. while(true){  
  6.     SocketChannel socketChannel =  
  7.             serverSocketChannel.accept();  
  8.   
  9.     //do something with socketChannel...  
  10. }  


打开 ServerSocketChannel

经过调用 ServerSocketChannel.open() 方法来打开ServerSocketChannel.如：

Java代码
  1. ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();  


关闭 ServerSocketChannel

经过调用ServerSocketChannel.close() 方法来关闭ServerSocketChannel. 如：

Java代码
  1. serverSocketChannel.close();  


监听新进来的链接

经过 ServerSocketChannel.accept() 方法监听新进来的链接。当 accept()方法返回的时候，它返回一个包含新进来的链接的 SocketChannel。所以，accept()方法会一直阻塞到有新链接到达。

一般不会仅仅只监听一个链接，在while循环中调用 accept()方法. 以下面的例子：

Java代码
  1. while(true){  
  2.     SocketChannel socketChannel =  
  3.             serverSocketChannel.accept();  
  4.   
  5.     //do something with socketChannel...  
  6. }  


固然，也能够在while循环中使用除了true之外的其它退出准则。

非阻塞模式

ServerSocketChannel能够设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下，accept() 方法会马上返回，若是尚未新进来的链接，返回的将是null。 所以，须要检查返回的SocketChannel是不是null。如：

Java代码
  1. ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();  
  2.   
  3. serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));  
  4. serverSocketChannel.configureBlocking(false);  
  5.   
  6. while(true){  
  7.     SocketChannel socketChannel =  
  8.             serverSocketChannel.accept();  
  9.   
  10.     if(socketChannel != null){  
  11.         //do something with socketChannel...  
  12.     }  
  13. }  


Datagram 通道 Top



（本部分 原文连接，做者：Jakob Jenkov，译者：郑玉婷，校对：丁一）
Java NIO中的DatagramChannel是一个能收发UDP包的通道。由于UDP是无链接的网络协议，因此不能像其它通道那样读取和写入。它发送和接收的是数据包。

打开 DatagramChannel

下面是 DatagramChannel 的打开方式：

Java代码
  1. DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();  
  2. channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));  


这个例子打开的 DatagramChannel能够在UDP端口9999上接收数据包。

接收数据

经过receive()方法从DatagramChannel接收数据，如：

Java代码
  1. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
  2. buf.clear();  
  3. channel.receive(buf);  


receive()方法会将接收到的数据包内容复制到指定的Buffer. 若是Buffer容不下收到的数据，多出的数据将被丢弃。

发送数据

经过send()方法从DatagramChannel发送数据，如:

Java代码
  1. String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  
  2.   
  3. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
  4. buf.clear();  
  5. buf.put(newData.getBytes());  
  6. buf.flip();  
  7.   
  8. int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));  


这个例子发送一串字符到”jenkov.com”服务器的UDP端口80。 由于服务端并无监控这个端口，因此什么也不会发生。也不会通知你发出的数据包是否已收到，由于UDP在数据传送方面没有任何保证。

链接到特定的地址

能够将DatagramChannel“链接”到网络中的特定地址的。因为UDP是无链接的，链接到特定地址并不会像TCP通道那样建立一个真正的链接。而是锁住DatagramChannel ，让其只能从特定地址收发数据。

这里有个例子:

Java代码
  1. channel.connect(new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));  


当链接后，也可使用read()和write()方法，就像在用传统的通道同样。只是在数据传送方面没有任何保证。这里有几个例子：

Java代码
  1. int bytesRead = channel.read(buf);  
  2. int bytesWritten = channel.write(but);  


管道（Pipe） Top


（本部分原文连接，做者：Jakob Jenkov，译者：黄忠，校对：丁一）
Java NIO 管道是2个线程之间的单向数据链接。Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会被写到sink通道，从source通道读取。

这里是Pipe原理的图示：
javascript



建立管道

经过Pipe.open()方法打开管道。例如：
html

Java代码
  1. Pipe pipe = Pipe.open();  



向管道写数据

要向管道写数据，须要访问sink通道。像这样：
java

Java代码
  1. Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();  



经过调用SinkChannel的write()方法，将数据写入SinkChannel,像这样：
web

Java代码
  1. String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();  
  2. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
  3. buf.clear();  
  4. buf.put(newData.getBytes());  
  5.   
  6. buf.flip();  
  7.   
  8. while(buf.hasRemaining()) {  
  9.     <b>sinkChannel.write(buf);</b>  
  10. }  



从管道读取数据

从读取管道的数据，须要访问source通道，像这样：
编程

Java代码
  1. Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();  



调用source通道的read()方法来读取数据，像这样：
数组

Java代码
  1. ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);  
  2.   
  3. int bytesRead = inChannel.read(buf);  



read()方法返回的int值会告诉咱们多少字节被读进了缓冲区。缓存

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