Buffer

一個 Buffer 本質上是內存中的一塊，我們可以將數據寫入這塊內存，之後從這塊內存獲取數據。

java.nio 定義了以下幾個 Buffer 的實現，這個圖讀者應該也在不少地方見過了吧。

其實核心是最後的 ByteBuffer，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。

我們應該將 Buffer 理解為一個數組，IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分別對應 int[]、char[]、double[] 等。

MappedByteBuffer 用於實現內存映射文件，也不是本文關註的重點。

我覺得操作 Buffer 和操作數組、類集差不多，只不過大部分時候我們都把它放到了 NIO 的場景裏面來使用而已。下面介紹 Buffer 中的幾個重要屬性和幾個重要方法。

position、limit、capacity

就像數組有數組容量，每次訪問元素要指定下標，Buffer 中也有幾個重要屬性：position、limit、capacity。

最好理解的當然是 capacity，它代表這個緩沖區的容量，一旦設定就不可以更改。比如 capacity 為 1024 的 IntBuffer，代表其一次可以存放 1024 個 int 類型的值。一旦 Buffer 的容量達到 capacity，需要清空 Buffer，才能重新寫入值。

position 和 limit 是變化的，我們分別看下讀和寫操作下，它們是如何變化的。

position 的初始值是 0，每往 Buffer 中寫入一個值，position 就自動加 1，代表下一次的寫入位置。讀操作的時候也是類似的，每讀一個值，position 就自動加 1。

從寫操作模式到讀操作模式切換的時候（flip），position 都會歸零，這樣就可以從頭開始讀寫了。

limit：寫操作模式下，limit 代表的是最大能寫入的數據，這個時候 limit 等於 capacity。寫結束後，切換到讀模式，此時的 limit 等於 Buffer 中實際的數據大小，因為 Buffer 不一定被寫滿了。

初始化 Buffer

每個 Buffer 實現類都提供了一個靜態方法 allocate(int capacity) 幫助我們快速實例化一個 Buffer。如：

ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
IntBuffer intBuf = IntBuffer.allocate(1024);
LongBuffer longBuf = LongBuffer.allocate(1024);

另外，我們經常使用 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 方法用於將數據填充到 Buffer 中，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，不能超過 capacity，超過會java.nio.BufferOverflowException 異常。　　

對於 Buffer 來說，另一個常見的操作中就是，我們要將來自 Channel 的數據填充到 Buffer 中，在系統層面上，這個操作我們稱為讀操作，因為數據是從外部（文件或網絡等）讀到內存中。

int num = channel.read(buf);

上述方法會返回從 Channel 中讀入到 Buffer 的數據大小。

提取 Buffer 中的值

前面介紹了寫操作，每寫入一個值，position 的值都需要加 1，所以 position 最後會指向最後一次寫入的位置的後面一個，如果 Buffer 寫滿了，那麽 position 等於 capacity（position 從 0 開始）。

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。註意，通常在說 NIO 的讀操作的時候，我們說的是從 Channel 中讀數據到 Buffer 中，對應的是對 Buffer 的寫入操作，初學者需要理清楚這個。

調用Buffer的flip()方法，可以從寫模式切換到讀模式，其實就是重新設置了一下position和limit的值。

public final Buffer flip() {
    limit = position; // 將 limit 設置為實際寫入的數據數量
    position = 0; // 重置 position 為 0
    mark = -1; // mark 之後再說
    return this;
}

對應寫操作的一系列put方法，讀操作提供了一系列的get()方法：

// 根據 position 來獲取數據
public abstract byte get();
// 獲取指定位置的數據
public abstract byte get(int index);
// 將 Buffer 中的數據寫入到數組中
public ByteBuffer get(byte[] dst)

附一個經常使用的方法：

new String(buffer.array()).trim();

除了將數據從Buffer讀取出來使用，更常見的操作是將寫入的數據輸出到Channel中，如通過FileChannel將數據寫入到文件中，通過SocketChannel將數據寫入到網絡發送到遠程機器等。對應的，這種操作，我們稱之為寫操作。

int num = channel.write(buf);

mark()、reset()

除了position、limit、capacity這三個基本屬性外，還有一個常用的屬性就是mark。

mark用於臨時保存position的值，每次調用mark()方法都會將mark設置為當前的position，便於後學需要的時候使用。

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

那到底什麽時候用呢？考慮以下場景，我們在 position 為 5 的時候，先 mark() 一下，然後繼續往下讀，讀到第 10 的時候，我想重新回到 position 為 5 的地方重新來一遍，那只要調一下 reset() 方法，position 就回到 5 了。

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，通常用於從頭讀寫Buffer。

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

　clear()：相當於重新實例化。

通常，我們會先填充Buffer，然後從Buffer讀取數據，之後再重新往裏填充新的數據，我們一般在填充之前先調用clear().

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

compact()：和clear()一樣的是都是在準備往Buffer中填充新數據之前調用。

clear()會重置幾個屬性，但是並不會將Buffer中的數據清空，只不過後面寫的時候會覆蓋之前的數據。

而compact()方法調用之後，會先處理還沒有讀取的數據，也就是position到limit直接的數據，先將這些數據都移動到左邊，然後在這個基礎之上再開始寫入。此時,limit還是等於capacity,position指向原來數據的右邊。

Channel

所有的 NIO 操作始於通道，通道是數據來源或數據寫入的目的地，主要地，我們將關心 java.nio 包中實現的以下幾個 Channel：

FileChannel：文件通道，用於文件的讀和寫。

DatagramChannel：用於UDP連接的接收和發送

SocketChannel：TCP客戶端

ServerSocketChannel:TCP服務端，監聽某個端口進來的請求。

Channel 經常翻譯為通道，類似 IO 中的流，用於讀取和寫入。它與前面介紹的 Buffer 打交道，讀操作的時候將 Channel 中的數據填充到 Buffer 中，而寫操作時將 Buffer 中的數據寫入到 Channel 中。

FileChannel

初始化：

FileInputStream inputStream = new FileInputStream(new File("/data.txt"));
FileChannel fileChannel = inputStream.getChannel();　　

當然了，也可以從RandomAccessFile類中的getChannel來得到FileChannel。

讀取文件內容：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

int num = fileChannel.read(buffer);

寫入文件內容：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("隨機寫入一些內容到 Buffer 中".getBytes());
// Buffer 切換為讀模式
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()) {
    // 將 Buffer 中的內容寫入文件
    fileChannel.write(buffer);
}

SocketChannel

打開一個TCP鏈接：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel
　　.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 80));

當然了，上面的這行代碼等價於下面的兩行：

// 打開一個通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 發起連接
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 80));

SocketChannel 的讀寫和 FileChannel 沒什麽區別，就是操作緩沖區。

// 讀取數據
socketChannel.read(buffer);

// 寫入數據到網絡連接中
while(buffer.hasRemaining()) {
    socketChannel.write(buffer);   
}

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 用於監聽機器端口，管理從這個端口進來的 TCP 連接。

// 實例化
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 監聽 8080 端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));

while (true) {
    // 一旦有一個 TCP 連接進來，就對應創建一個 SocketChannel 進行處理
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}

這裏我們看到了SocketChannel的第二個實例化方式。

到這裏，我們應該能理解SocketChannel了，它不僅僅是TCP客戶端，它代表的是一個網絡通道，可讀可寫。

ServerSocketChannel不和Buffer打交道了，因為它並不實際處理數據，一旦接到請求，就會實例化一個SocketChannel，之後再這個簡介通道上傳遞的數據它就不管了，它會繼續監聽端口等待下一個連接。

DatagramChannel

UDP 和 TCP 不一樣，DatagramChannel 一個類處理了服務端和客戶端。

UDP 是面向無連接的，不需要和對方握手，不需要通知對方，就可以直接將數據包投出去，至於能不能送達，它是不知道的.

監聽端口：

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9090));

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

channel.receive(buf);

發送數據：

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

Selector建立在非阻塞的基礎之上，大家經常聽到的多路復用在java世界中指的就是它，用於實現一個線程管理多個Channel。

開啟Selector:

Selector selector = Selector.open();

將 Channel 註冊到 Selector 上。前面我們說了，Selector 建立在非阻塞模式之上，所以註冊到 Selector 的 Channel 必須要支持非阻塞模式，FileChannel 不支持非阻塞，我們這裏討論最常見的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。

// 將通道設置為非阻塞模式，因為默認都是阻塞模式的
channel.configureBlocking(false);
// 註冊
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

register 方法的第二個 int 型參數（使用二進制的標記位）用於表明需要監聽哪些感興趣的事件，共以下四種事件：

SelectionKey.OP_READ:對應 00000001，通道中有數據可以進行讀取

SelectionKey.OP_WRITE:對應 00000100，可以往通道中寫入數據

SelectionKey.OP_CONNECT:對應 00001000，成功建立 TCP 連接

SelectionKey.OP_ACCEPT:對應 00010000，接受 TCP 連接

我們可以同時監聽一個 Channel 中的發生的多個事件，比如我們要監聽 ACCEPT 和 READ 事件，那麽指定參數為二進制的 00010001 即十進制數值 17 即可。

註冊方法返回值是 SelectionKey 實例，它包含了 Channel 和 Selector 信息，也包括了一個叫做 Interest Set 的信息，即我們設置的我們感興趣的正在監聽的事件集合。

調用 select() 方法獲取通道信息。用於判斷是否有我們感興趣的事件已經發生了。

示例：

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();
  }
}

對於Selector，需要熟悉以下幾個方法：

select()

調用此方法，會將上次 select 之後的準備好的 channel 對應的 SelectionKey 復制到 selected set 中。如果沒有任何通道準備好，這個方法會阻塞，直到至少有一個通道準備好。

selectNow()

功能和 select 一樣，區別在於如果沒有準備好的通道，那麽此方法會立即返回 0。

select(long timeout)

看了前面兩個，這個應該很好理解了，如果沒有通道準備好，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() 先被調用，此時沒有線程在 select 上阻塞，那麽之後的一個 select() 或 select(timeout) 會立即返回，而不會阻塞，當然，它只會作用一次。

調

用 Buffer 的 flip() 方法，可以從寫入模式切換到讀取模式。其實這個方法也就是設置了一下 position 和 limit 值罷了

Java NIO：Buffer、Channel 和 Selector