Java IO--NIO（一）

1、基本概念描述

1.1 I/O简介

I/O即输入输出，是计算机与外界世界的一个接口。IO操做的实际主题是操做系统。在java编程中，通常使用流的方式来处理IO，全部的IO都被视做是单个字节的移动，经过stream对象一次移动一个字节。流IO负责把对象转换为字节，而后再转换为对象。

关于Java IO相关知识请参考个人另外一篇文章：Java IO 详解

1.2 什么是NIO

NIO即New IO，这个库是在JDK1.4中才引入的。NIO和IO有相同的做用和目的，但实现方式不一样，NIO主要用到的是块，因此NIO的效率要比IO高不少。

在Java API中提供了两套NIO，一套是针对标准输入输出NIO，另外一套就是网络编程NIO，本篇文章重点介绍标NIO，关于网络编程NIO请见Java NIO详解（二）。

1.3 流与块的比较

NIO和IO最大的区别是数据打包和传输方式。IO是以流的方式处理数据，而NIO是以块的方式处理数据。

面向流的IO一次一个字节的处理数据，一个输入流产生一个字节，一个输出流就消费一个字节。为流式数据建立过滤器就变得很是容易，连接几个过滤器，以便对数据进行处理很是方便而简单，可是面向流的IO一般处理的很慢。

面向块的IO系统以块的形式处理数据。每个操做都在一步中产生或消费一个数据块。按块要比按流快的多，但面向块的IO缺乏了面向流IO所具备的优雅性和简单性。

2、NIO基础

Buffer和Channel是标准NIO中的核心对象（网络NIO中还有个Selector核心对象，具体请参考Java NIO详解（二）），几乎每个IO操做中都会用到它们。

Channel是对原IO中流的模拟，任何来源和目的数据都必须经过一个Channel对象。一个Buffer实质上是一个容器对象，发给Channel的全部对象都必须先放到Buffer中；一样的，从Channel中读取的任何数据都要读到Buffer中。

2.1 关于Buffer

Buffer是一个对象，它包含一些要写入或读出的数据。在NIO中，数据是放入buffer对象的，而在IO中，数据是直接写入或者读到Stream对象的。应用程序不能直接对 Channel 进行读写操做，而必须经过 Buffer 来进行，即 Channel 是经过 Buffer 来读写数据的。

在NIO中，全部的数据都是用Buffer处理的，它是NIO读写数据的中转池。Buffer实质上是一个数组，一般是一个字节数据，但也能够是其余类型的数组。但一个缓冲区不只仅是一个数组，重要的是它提供了对数据的结构化访问，并且还能够跟踪系统的读写进程。

使用 Buffer 读写数据通常遵循如下四个步骤：

1. 写入数据到 Buffer；
2. 调用 flip() 方法；
3. 从 Buffer 中读取数据；
4. 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。

Buffer主要有以下几种：

2.3 关于Channel

Channel是一个对象，能够经过它读取和写入数据。能够把它看作IO中的流。可是它和流相比还有一些不一样：

1. Channel是双向的，既能够读又能够写，而流是单向的
2. Channel能够进行异步的读写
3. 对Channel的读写必须经过buffer对象

正如上面提到的，全部数据都经过Buffer对象处理，因此，您永远不会将字节直接写入到Channel中，相反，您是将数据写入到Buffer中；一样，您也不会从Channel中读取字节，而是将数据从Channel读入Buffer，再从Buffer获取这个字节。

由于Channel是双向的，因此Channel能够比流更好地反映出底层操做系统的真实状况。特别是在Unix模型中，底层操做系统一般都是双向的。

在Java NIO中Channel主要有以下几种类型：

• FileChannel：从文件读取数据的
• DatagramChannel：读写UDP网络协议数据
• SocketChannel：读写TCP网络协议数据
• ServerSocketChannel：能够监听TCP链接

3、从理论到实践：NIO中的读和写

IO中的读和写，对应的是数据和Stream，NIO中的读和写，则对应的就是通道和缓冲区。NIO中从通道中读取：建立一个缓冲区，而后让通道读取数据到缓冲区。NIO写入数据到通道：建立一个缓冲区，用数据填充它，而后让通道用这些数据来执行写入。

3.1 从文件中读取

咱们已经知道，在NIO系统中，任什么时候候执行一个读操做，您都是从Channel中读取，而您不是直接从Channel中读取数据，由于全部的数据都必须用Buffer来封装，因此您应该是从Channel读取数据到Buffer。

所以，若是从文件读取数据的话，须要以下三步：

1. 从FileInputStream获取Channel
2. 建立Buffer
3. 从Channel读取数据到Buffer

下面咱们看一下具体过程： 
第一步：获取通道

FileInputStream fin = new FileInputStream( "readandshow.txt" );
FileChannel fc = fin.getChannel();

第二步：建立缓冲区

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

第三步：将数据从通道读到缓冲区

fc.read( buffer );

3.2 写入数据到文件

相似于从文件读数据， 
第一步：获取一个通道

FileOutputStream fout = new FileOutputStream( "writesomebytes.txt" );
FileChannel fc = fout.getChannel();

第二步：建立缓冲区，将数据放入缓冲区

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

for (int i=0; i<message.length; ++i) {
 buffer.put( message[i] );
}
buffer.flip();

第三步：把缓冲区数据写入通道中

fc.write( buffer );

3.3 读写结合

CopyFile是一个很是好的读写结合的例子，咱们将经过CopyFile这个实力让你们体会NIO的操做过程。CopyFile执行三个基本的操做：建立一个Buffer，而后从源文件读取数据到缓冲区，而后再将缓冲区写入目标文件。

/**
 * 用java NIO api拷贝文件
 * @param src
 * @param dst
 * @throws IOException
 */
public static void copyFileUseNIO(String src,String dst) throws IOException{
    //声明源文件和目标文件
            FileInputStream fi=new FileInputStream(new File(src));
            FileOutputStream fo=new FileOutputStream(new File(dst));
            //得到传输通道channel
            FileChannel inChannel=fi.getChannel();
            FileChannel outChannel=fo.getChannel();
            //得到容器buffer
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
            while(true){
                //判断是否读完文件
                int eof =inChannel.read(buffer);
                if(eof==-1){
                    break;  
                }
                //重设一下buffer的position=0，limit=position
                buffer.flip();
                //开始写
                outChannel.write(buffer);
                //写完要重置buffer，重设position=0,limit=capacity
                buffer.clear();
            }
            inChannel.close();
            outChannel.close();
            fi.close();
            fo.close();
}

4、须要注意的点

上面程序中有三个地方须要注意

4.1 检查状态

当没有更多的数据时，拷贝就算完成，此时 read() 方法会返回 -1 ，咱们能够根据这个方法判断是否读完。

int r= fcin.read( buffer );
if (r==-1) {
     break;
     }

4.2 Buffer类的flip、clear方法

控制buffer状态的三个变量

• position：跟踪已经写了多少数据或读了多少数据，它指向的是下一个字节来自哪一个位置
• limit：表明还有多少数据能够取出或还有多少空间能够写入，它的值小于等于capacity。
• capacity：表明缓冲区的最大容量，通常新建一个缓冲区的时候，limit的值和capacity的值默认是相等的。

flip、clear这两个方法即是用来设置这些值的。

flip方法

咱们先看一下flip的源码：

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

在上面的FileCopy程序中，写入数据以前咱们调用了buffer.flip();方法，这个方法把当前的指针位置position设置成了limit，再将当前指针position指向数据的最开始端，咱们如今能够将数据从缓冲区写入通道了。 position 被设置为 0，这意味着咱们获得的下一个字节是第一个字节。 limit 已被设置为原来的 position，这意味着它包括之前读到的全部字节，而且一个字节也很少。

clear方法

先看一下clear的源码：

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

在上面的FileCopy程序中，写入数据以后也就是读数据以前，咱们调用了 buffer.clear();方法，这个方法重设缓冲区以便接收更多的字节。上图显示了在调用 clear() 后缓冲区的状态。

 

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