java nio剖析
zhangfan xu
nio之所以为为新，在于它并没在原来I/O的基础上进行开发，而是提供了全新的类和接口，除了原来的基本功能之外，它还提供了以下新的特征：
► 多路选择的非封锁式I/O设施
►支持文件锁和内存映射
►支持基于Perl风格正则表达式的模式匹配设施
►字符集编码器和译码器
为了支持这些新的功能，nio使用了两个新的概念：
1. 信道(channel)
信道是一个连接，可用于接收或发送数据，如文件和套接字。因为信道连接的是底层的物理设备，他可以直接支持设备的读/写，
或提供文件锁。对于文件、管道、套接字都存在相应的信道类。可以把信道看成是数据流的替代品。信道没有包装类，提高了性能。
所有的信道类都位于java.nio.channels包中。
2. 缓冲区(buffer)
缓冲区是一个数据容器。可以把它看做内存中的一个大的数组，用来存储来自信道的同一类型的所有数据，因此，程序员可以使用
字节、字符、整数等缓冲区。字节缓冲区提供必要的方法，可以提取或存入所有基本类型(boolean型除外)的数据。
buffer类的核心是一块内存区，便于核心代码和java代码同时访问，核心代码可以直接访问它，java代码可以通过
API访问它。
缓冲区基本上是一块内存区域，因而可以执行一些与内存有关的操作，如清除其中的内容，支持读写或只读操作等。
所有的buffer类都位于java.nio包中。
下面看如何使用它们：
1. 使用信道
在信道的使用中，文件的信道是最具有代表性的，API也是最多的，下面我们以文件信道为例介绍它。
● 获取文件信道
文件的信道的类为FileChannel,遗憾的是他并没有向我们提供打开文件的方法，我们可以通过调用
FileInputStream、FileOutputStream和RandomAccessFile类实例的getChannel()方法来获取其
实例。例如：
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(“data.txt”, “rw”);
FileChannel fc = raf.getChannel();
请注意，这里打开文件的方式如”rw”将适用于文件信道，FileInputStream实例的getChannel()方法所获得的通道将允许进行读
取操作。通过FileOutputStream的getChannel方法所获得的通道将允许进行写入操作。最后，如果使用模式 "r" 创建
RandomAccessFil的实例，则通过该实例的getChannel()方法所获得的通道将允许进行读取操作，如果使用模式 "rw" 创建实
例，则获得的通道将允许进行读取和写入操作。
● 从信道读取数据
读取的数据会默认放到字节缓冲区中。
FileChannel提供了四个API读取数据：
a. read(ByteBuffer dst) 将字节序列从此通道读入给定的缓冲区
b. read(ByteBuffer[] dsts) 将字节序列从此通道读入给定的缓冲区
c. read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length)
将字节序列从此通道读入给定缓冲区的子序列中
d. read(ByteBuffer dst, long position)
从给定的文件位置开始，从此通道读取字节序列,并写入给定的缓冲区
● 向信道写入数据
数据来源默认是字节缓冲区。
FileChannel提供了四个API写入数据：
a. write(ByteBuffer src)
将字节序列从给定的缓冲区写入此通道
b. write(ByteBuffer[] srcs)
将字节序列从给定的缓冲区写入此通道
c. write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length)
将字节序列从给定缓冲区的子序列写入此通道
d. write(ByteBuffer src, long position)
从给定的文件位置开始，将字节序列从给定缓冲区写入此通道
● 使用文件锁
文件锁机制主要是在多线程同时读写某个文件资源时使用。
FileChannel提供了两种加锁机制，lock和tryLock,两者的区别在于，lock是同步的，
直至成功才返回，tryLock是异步的，无论成不成功都会立即返回。
● 使用内存映射
FileChannel提供的的API为：
MappedByteBuffer map(FileChannel.MapMode mode, long
position, long size);
映射模式一个有三种：
a.只读： 试图修改得到的缓冲区将导致抛出 ReadOnlyBufferException.
(MapMode.READ_ONLY)
b.读/写： 对得到的缓冲区的更改最终将传播到文件；该更改对映射到同一文件的其他程序不一定是可见的。
(MapMode.READ_WRITE)
c.专用： 对得到的缓冲区的更改不会传播到文件，并且该更改对映射到同一文件的其他程序也不是可见的；
相反，会创建缓冲区已修改部分的专用副本。 (MapMode.PRIVATE)
2. 使用缓冲区
● 层次结构
所有缓冲区的基类都是Buffer,除Boolean类型外，其它数据类型都有对应的缓冲区类，
另有一个ByteOrder类，用来设置缓冲区的大小端顺序，即BigEndian或者是LittleEndian，
默认情况下是BigEndian。其层次结构图如下：
● 获取缓冲区对象
一共有两种类型的缓冲区，直接缓冲区和非直接缓冲区，两者区别在于直接缓冲区上的数据操作，
虚拟机将尽量使用本机I/O,并尽量避免使用中间缓冲区。判断一个缓冲区是否是直接缓冲区，
可以调用isDirect()方法。
有三种方式来获取一个缓冲区的对象：
a. 调用allocate()或者allocateDirect()方法直接分配，其中allocateDirect()
返回的是直接缓冲区。
b. 包装一个数组，如：
byte[] b = new byte[1024];
ByteBuffer bb = ByteBuffer.wrap(b);
c. 内存映射，即调用FileChannel的map()方法。
● 缓冲区基本属性
这几个属性是每个缓冲区都有的并且是常用的操作。
a. 容量(capacity),缓冲区大小
b. 限制(limit),第一个不应被读取或写入的字节的索引，总是小于容量。
c. 位置(position)，下一个被读取或写入的字节的索引，总是小于限制。
d. clear()方法：设置limit为capacity，position为0。
e. filp()方法：设置limit为当前position，然后设置position为0。
f. rewind()方法：保持limit不变，设置position为0。
● 缓冲区数据操作
操作包括了读取和写入数据两种。
读取数据使用get()及其系列方法，除boolean外，每一种类型包括了对应的get()方法，
如getInt(),getChar()等，get()方法用来读取字节，支持相对和绝对索引两种方式。
写入数据使用put()及其系列方法，和get()方法是对应的。
下面这个例子演示了如何使用缓冲区和信道：
package nio;import java.io.FileInputStream;import
java.io.FileOutputStream;import java.nio.ByteBuffer;import
java.nio.channels.FileChannel;public class BufferDemo ...
{ public static void main(String[] args) throws Exception...
{ //分配一个非直接缓冲区 ByteBuffer bb =
ByteBuffer.allocate(100); //向缓冲区写入0到100的字节制 for(int i =
0; i <100; i++)...{ byte b = (byte) (Math.random() *
100); bb.put(b); }
System.out.println("写入文件前的缓冲区数据"); bb.flip();
while(bb.hasRemaining()) System.out.print(bb.get() + "
"); System.out.println(); //获取一个关联到文件buffer.txt的信
道 FileChannel fc = new
FileOutputStream("buffer.txt").getChannel(); //将缓冲区数据写到文件
中 bb.flip(); fc.write(bb); //防止缓存
fc.force(true); //关闭信道 fc.close(); bb =
null; fc = null; //下面从文件中读取数据 fc = new
FileInputStream("buffer.txt").getChannel(); ByteBuffer bb2 =
ByteBuffer.allocate((int) fc.size()); fc.read(bb2);
System.out.println("从文件读取的缓冲区数据"); bb2.flip();
while(bb2.hasRemaining()) System.out.print(bb2.get() + "
"); System.out.println(); fc.close(); bb2 =
null; fc = null; }}
3．视图缓冲区
上面我们的缓冲区都是基于字节的，像IntBuffer、LongBuffer等这些都可以调用ByteBuffer的
as***Buffer(***表示某个数据类型)得到，所以这种类型的缓冲区又被称为视图缓冲区(View Buffer),
视图缓冲区有以下特点：
a. 视图缓冲区有自己独立的position和limit，但它不是一个新的创建，只是原来字节缓冲区的一个逻辑缓冲区，字节缓冲区的任何修
改都会影响视图缓冲区，反之亦然。
b. 视图缓冲区按照数据类型的大小进行索引，而不是字节顺序。
c. 也提供了put()和get()及其系列方法，用于数据的整块传输。
下面这个例子演示了视图缓冲区：
package nio;import java.io.FileInputStream;import
java.nio.ByteBuffer;import java.nio.IntBuffer;import
java.nio.channels.FileChannel;public class ViewBufferDemo ...
{ public static void main(String[] args) throws Exception...
{ //将文件内容读到缓冲区中 FileChannel fc = new
FileInputStream("buffer.txt").getChannel(); ByteBuffer bb =
ByteBuffer.allocate((int) fc.size()); fc.read(bb);
fc.close(); fc = null; System.out.println("从文件读取的
字节缓冲区数据"); bb.flip();
while(bb.hasRemaining()) System.out.print(bb.get() + "
"); System.out.println(); //获取视图缓冲区
bb.flip(); IntBuffer ib = bb.asIntBuffer();
System.out.println("将字节缓冲区作为整形缓冲区的数据");
while(ib.hasRemaining()) System.out.print(ib.get() + "
"); System.out.println(); bb = null; ib =
null; }}
4．映射内存缓冲区
调用信道的map()方法后，即可将文件的某一部分或全部映射到内存中，映射内存缓冲区是一
个直接缓冲区，继承自ByteBuffer,但相对于ByteBuffer,它有更多的优点：
a. 内存映射I/O是对信道/缓冲区技术的改进。 当传输大量的数据时，内存映射I/O
速度相对较快，这是因为它使用虚拟内存把文件传输到进程的地址空间中。
b. 映射内存也成为共享内存，因此可以用于相关进程(均映射同一文件)之间的整块数据
传输，这些进程甚至可以不必位于同一系统上，只要每个都可以访问同一文件即可。
c. 当对FileChannel执行映射操作，把文件映射到内存中时，得到的是一个连接到文件的
映射的字节缓冲区，这种映射的结果是，当输出缓冲区的内容时，数据将出现在文件中，
当读入缓冲区时，相当于得到文件中的数据。
下面这个例子演示了映射内存：
package nio;import java.io.FileInputStream;import
java.io.FileOutputStream;import java.nio.MappedByteBuffer;import
java.nio.channels.FileChannel;public class CopyFile ...{ public
static void main(String[] args) throws Exception ...
{ FileChannel fIChan, fOChan; MappedByteBuffer
mBuf; fIChan = new
FileInputStream("buffer.txt").getChannel(); fOChan = new
FileOutputStream("bufferTemp.txt").getChannel(); mBuf =
fIChan.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, fIChan.size());
fOChan.write(mBuf); fIChan.close();
fOChan.close(); fIChan = null; fOChan =
null; mBuf = null; }}
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