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Java NIO 詳解（一）

阿新 • • 發佈：2018-12-13

一、基本概念描述

1.1 I/O簡介

I/O即輸入輸出，是計算機與外界世界的一個藉口。IO操作的實際主題是作業系統。在java程式設計中，一般使用流的方式來處理IO，所有的IO都被視作是單個位元組的移動，通過stream物件一次移動一個位元組。流IO負責把物件轉換為位元組，然後再轉換為物件。

關於Java IO相關知識請參考我的另一篇文章：Java IO 詳解

1.2 什麼是NIO

NIO即New IO，這個庫是在JDK1.4中才引入的。NIO和IO有相同的作用和目的，但實現方式不同，NIO主要用到的是塊，所以NIO的效率要比IO高很多。

在Java API中提供了兩套NIO，一套是針對標準輸入輸出NIO

，另一套就是網路程式設計NIO，本篇文章重點介紹標NIO，關於網路程式設計NIO請見Java NIO詳解（二）。

1.3 流與塊的比較

NIO和IO最大的區別是資料打包和傳輸方式。IO是以流的方式處理資料，而NIO是以塊的方式處理資料。

面向流的IO一次一個位元組的處理資料，一個輸入流產生一個位元組，一個輸出流就消費一個位元組。為流式資料建立過濾器就變得非常容易，連結幾個過濾器，以便對資料進行處理非常方便而簡單，但是面向流的IO通常處理的很慢。

面向塊的IO系統以塊的形式處理資料。每一個操作都在一步中產生或消費一個數據塊。按塊要比按流快的多，但面向塊的IO缺少了面向流IO所具有的有雅興和簡單性。

二、NIO基礎

Buffer和Channel是標準NIO中的核心物件（網路NIO中還有個Selector核心物件，具體請參考Java NIO詳解（二）），幾乎每一個IO操作中都會用到它們。

Channel是對原IO中流的模擬，任何來源和目的資料都必須通過一個Channel物件。一個Buffer實質上是一個容器物件，發給Channel的所有物件都必須先放到Buffer中；同樣的，從Channel中讀取的任何資料都要讀到Buffer中。

2.1 關於Buffer

Buffer是一個物件，它包含一些要寫入或讀出的資料。在NIO中，資料是放入buffer物件的，而在IO中，資料是直接寫入或者讀到Stream物件的。應用程式不能直接對 Channel 進行讀寫操作，而必須通過 Buffer 來進行

，即 Channel 是通過 Buffer 來讀寫資料的。

在NIO中，所有的資料都是用Buffer處理的，它是NIO讀寫資料的中轉池。Buffer實質上是一個數組，通常是一個位元組資料，但也可以是其他型別的陣列。但一個緩衝區不僅僅是一個數組，重要的是它提供了對資料的結構化訪問，而且還可以跟蹤系統的讀寫程序。

使用 Buffer 讀寫資料一般遵循以下四個步驟：

  1. 寫入資料到 Buffer；
  2. 呼叫 flip() 方法；
  3. 從 Buffer 中讀取資料；
  4. 呼叫 clear() 方法或者 compact() 方法。

當向 Buffer 寫入資料時，Buffer 會記錄下寫了多少資料。一旦要讀取資料，需要通過 flip() 方法將 Buffer 從寫模式切換到讀模式。在讀模式下，可以讀取之前寫入到 Buffer 的所有資料。

一旦讀完了所有的資料，就需要清空緩衝區，讓它可以再次被寫入。有兩種方式能清空緩衝區：呼叫 clear() 或 compact() 方法。clear() 方法會清空整個緩衝區。compact() 方法只會清除已經讀過的資料。任何未讀的資料都被移到緩衝區的起始處，新寫入的資料將放到緩衝區未讀資料的後面。

Buffer主要有如下幾種：

這裡寫圖片描述

2.3 關於Channel

Channel是一個物件，可以通過它讀取和寫入資料。可以把它看做IO中的流。但是它和流相比還有一些不同：

  1. Channel是雙向的，既可以讀又可以寫，而流是單向的
  2. Channel可以進行非同步的讀寫
  3. 對Channel的讀寫必須通過buffer物件

正如上面提到的，所有資料都通過Buffer物件處理，所以，您永遠不會將位元組直接寫入到Channel中，相反，您是將資料寫入到Buffer中；同樣，您也不會從Channel中讀取位元組，而是將資料從Channel讀入Buffer，再從Buffer獲取這個位元組。

因為Channel是雙向的，所以Channel可以比流更好地反映出底層作業系統的真實情況。特別是在Unix模型中，底層作業系統通常都是雙向的。

這裡寫圖片描述

在Java NIO中Channel主要有如下幾種型別：

  • FileChannel：從檔案讀取資料的
  • DatagramChannel：讀寫UDP網路協議資料
  • SocketChannel：讀寫TCP網路協議資料
  • ServerSocketChannel：可以監聽TCP連線

三、從理論到實踐：NIO中的讀和寫

IO中的讀和寫，對應的是資料和Stream，NIO中的讀和寫，則對應的就是通道和緩衝區。NIO中從通道中讀取：建立一個緩衝區，然後讓通道讀取資料到緩衝區。NIO寫入資料到通道：建立一個緩衝區，用資料填充它，然後讓通道用這些資料來執行寫入。

3.1 從檔案中讀取

我們已經知道，在NIO系統中，任何時候執行一個讀操作，您都是從Channel中讀取，而您不是直接從Channel中讀取資料，因為所有的資料都必須用Buffer來封裝，所以您應該是從Channel讀取資料到Buffer。

因此，如果從檔案讀取資料的話，需要如下三步：

  1. 從FileInputStream獲取Channel
  2. 建立Buffer
  3. 從Channel讀取資料到Buffer

下面我們看一下具體過程：第一步：獲取通道

FileInputStream fin = new FileInputStream( "readandshow.txt" );
FileChannel fc = fin.getChannel();
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第二步：建立緩衝區

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );
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第三步：將資料從通道讀到緩衝區

fc.read( buffer );
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3.2 寫入資料到檔案

類似於從檔案讀資料，第一步：獲取一個通道

FileOutputStream fout = new FileOutputStream( "writesomebytes.txt" );
FileChannel fc = fout.getChannel();
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第二步：建立緩衝區，將資料放入緩衝區

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );

for (int i=0; i<message.length; ++i) {
 buffer.put( message[i] );
}
buffer.flip();
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第三步：把緩衝區資料寫入通道中

fc.write( buffer );
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3.3 讀寫結合

CopyFile是一個非常好的讀寫結合的例子，我們將通過CopyFile這個實力讓大家體會NIO的操作過程。CopyFile執行三個基本的操作：建立一個Buffer，然後從原始檔讀取資料到緩衝區，然後再將緩衝區寫入目標檔案。

/**
 * 用java NIO api拷貝檔案
 * @param src
 * @param dst
 * @throws IOException
 */
public static void copyFileUseNIO(String src,String dst) throws IOException{
    //宣告原始檔和目標檔案
            FileInputStream fi=new FileInputStream(new File(src));
            FileOutputStream fo=new FileOutputStream(new File(dst));
            //獲得傳輸通道channel
            FileChannel inChannel=fi.getChannel();
            FileChannel outChannel=fo.getChannel();
            //獲得容器buffer
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
            while(true){
                //判斷是否讀完檔案
                int eof =inChannel.read(buffer);
                if(eof==-1){
                    break;  
                }
                //重設一下buffer的position=0，limit=position
                buffer.flip();
                //開始寫
                outChannel.write(buffer);
                //寫完要重置buffer，重設position=0,limit=capacity
                buffer.clear();
            }
            inChannel.close();
            outChannel.close();
            fi.close();
            fo.close();
}
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四、需要注意的點

上面程式中有三個地方需要注意

4.1 檢查狀態

當沒有更多的資料時，拷貝就算完成，此時 read() 方法會返回 -1 ，我們可以根據這個方法判斷是否讀完。

int r= fcin.read( buffer );
if (r==-1) {
     break;
     }
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4.2 Buffer類的flip、clear方法

控制buffer狀態的三個變數

  • position：跟蹤已經寫了多少資料或讀了多少資料，它指向的是下一個位元組來自哪個位置
  • limit：代表還有多少資料可以取出或還有多少空間可以寫入，它的值小於等於capacity。
  • capacity：代表緩衝區的最大容量，一般新建一個緩衝區的時候，limit的值和capacity的值預設是相等的。

flip、clear這兩個方法便是用來設定這些值的。

flip方法

我們先看一下flip的原始碼：

public final Buffer flip() {
    limit = position;
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
 }
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這裡寫圖片描述

在上面的FileCopy程式中，寫入資料之前我們呼叫了buffer.flip();方法，這個方法把當前的指標位置position設定成了limit，再將當前指標position指向資料的最開始端，我們現在可以將資料從緩衝區寫入通道了。 position 被設定為 0，這意味著我們得到的下一個位元組是第一個位元組。 limit 已被設定為原來的 position，這意味著它包括以前讀到的所有位元組，並且一個位元組也不多。

clear方法

先看一下clear的原始碼：

 public final Buffer clear() {
    position = 0;
    limit = capacity;
    mark = -1;
    return this;
}
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這裡寫圖片描述

在上面的FileCopy程式中，寫入資料之後也就是讀資料之前，我們呼叫了 buffer.clear();方法，這個方法重設緩衝區以便接收更多的位元組。上圖顯示了在呼叫 clear() 後緩衝區的狀態。

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