本文轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)

創(chuàng)新互聯(lián)公司基于成都重慶香港及美國(guó)等地區(qū)分布式IDC機(jī)房數(shù)據(jù)中心構(gòu)建的電信大帶寬，聯(lián)通大帶寬，移動(dòng)大帶寬，多線BGP大帶寬租用,是為眾多客戶提供專業(yè)服務(wù)器托管報(bào)價(jià)，主機(jī)托管價(jià)格性價(jià)比高，為金融證券行業(yè)服務(wù)器托管德陽，ai人工智能服務(wù)器托管提供bgp線路100M獨(dú)享，G口帶寬及機(jī)柜租用的專業(yè)成都idc公司。

本系列文章將整理到我在GitHub上的《Java面試指南》倉(cāng)庫(kù)，更多精彩內(nèi)容請(qǐng)到我的倉(cāng)庫(kù)里查看

https://github.com/h3pl/Java-Tutorial

喜歡的話麻煩點(diǎn)下Star哈

文章將同步到我的個(gè)人博客：

www.how2playlife.com

本文是微信公眾號(hào)【Java技術(shù)江湖】的《不可輕視的Java網(wǎng)絡(luò)編程》其中一篇，本文部分內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)，為了把本文主題講得清晰透徹，也整合了很多我認(rèn)為不錯(cuò)的技術(shù)博客內(nèi)容，引用其中了一些比較好的博客文章，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系作者。

該系列博文會(huì)告訴你如何從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)入手，一步步地學(xué)習(xí)Java網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，從socket到nio、bio、aio和netty等網(wǎng)絡(luò)編程知識(shí)，并且進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)編程是每一個(gè)Java后端工程師必須要學(xué)習(xí)和理解的知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)一步來說，你還需要掌握Linux中的網(wǎng)絡(luò)編程原理，包括IO模型、網(wǎng)絡(luò)編程框架netty的進(jìn)階原理，才能更完整地了解整個(gè)Java網(wǎng)絡(luò)編程的知識(shí)體系，形成自己的知識(shí)框架。

為了更好地總結(jié)和檢驗(yàn)?zāi)愕膶W(xué)習(xí)成果，本系列文章也會(huì)提供部分知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的面試題以及參考答案。

如果對(duì)本系列文章有什么建議，或者是有什么疑問的話，也可以關(guān)注公眾號(hào)【Java技術(shù)江湖】聯(lián)系作者，歡迎你參與本系列博文的創(chuàng)作和修訂。

本文將介紹 Java NIO 中三大組件 Buffer、Channel、Selector的使用。

本來要一起介紹 非阻塞 IO和 JDK7 的 異步 IO的，不過因?yàn)橹暗奈恼抡娴奶L(zhǎng)了，有點(diǎn)影響讀者閱讀，所以這里將它們放到另一篇文章中進(jìn)行介紹。

Buffer

一個(gè) Buffer 本質(zhì)上是內(nèi)存中的一塊，我們可以將數(shù)據(jù)寫入這塊內(nèi)存，之后從這塊內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)。

java.nio 定義了以下幾個(gè) Buffer 的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)圖讀者應(yīng)該也在不少地方見過了吧。

其實(shí)核心是最后的 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(yīng)該將 Buffer 理解為一個(gè)數(shù)組，IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分別對(duì)應(yīng) int[]、char[]、double[] 等。

MappedByteBuffer 用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)存映射文件，也不是本文關(guān)注的重點(diǎn)。

我覺得操作 Buffer 和操作數(shù)組、類集差不多，只不過大部分時(shí)候我們都把它放到了 NIO 的場(chǎng)景里面來使用而已。下面介紹 Buffer 中的幾個(gè)重要屬性和幾個(gè)重要方法。

position、limit、capacity

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

最好理解的當(dāng)然是 capacity，它代表這個(gè)緩沖區(qū)的容量，一旦設(shè)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(gè) int 類型的值。一旦 Buffer 的容量達(dá)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(gè)值，position 就自動(dòng)加 1，代表下一次的寫入位置。讀操作的時(shí)候也是類似的，每讀一個(gè)值，position 就自動(dòng)加 1。

從寫操作模式到讀操作模式切換的時(shí)候（ flip），position 都會(huì)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(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候 limit 等于 capacity。寫結(jié)束后，切換到讀模式，此時(shí)的 limit 等于 Buffer 中實(shí)際的數(shù)據(jù)大小，因?yàn)?Buffer 不一定被寫滿了。

初始化 Buffer

每個(gè) Buffer 實(shí)現(xiàn)類都提供了一個(gè)靜態(tài)方法 allocate(int capacity) 幫助我們快速實(shí)例化一個(gè) Buffer。如：

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

另外，我們經(jīng)常使用 wrap 方法來初始化一個(gè) Buffer。

public static ByteBuffer wrap(byte[] array) {
    ...
}

填充 Buffer

各個(gè) Buffer 類都提供了一些 put 方法用于將數(shù)據(jù)填充到 Buffer 中，如 ByteBuffer 中的幾個(gè) put 方法：

// 填充一個(gè) byte 值
public abstract ByteBuffer put(byte b);
// 在指定位置填充一個(gè) int 值
public abstract ByteBuffer put(int index, byte b);
// 將一個(gè)數(shù)組中的值填充進(jìn)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(huì)拋 java.nio.BufferOverflowException 異常。

對(duì)于 Buffer 來說，另一個(gè)常見的操作中就是，我們要將來自 Channel 的數(shù)據(jù)填充到 Buffer 中，在系統(tǒng)層面上，這個(gè)操作我們稱為 讀操作，因?yàn)閿?shù)據(jù)是從外部（文件或網(wǎng)絡(luò)等）讀到內(nèi)存中。

int num = channel.read(buf);

上述方法會(huì)返回從 Channel 中讀入到 Buffer 的數(shù)據(jù)大小。

提取 Buffer 中的值

前面介紹了寫操作，每寫入一個(gè)值，position 的值都需要加 1，所以 position 最后會(huì)指向最后一次寫入的位置的后面一個(gè)，如果 Buffer 寫滿了，那么 position 等于 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。注意，通常在說 NIO 的讀操作的時(shí)候，我們說的是從 Channel 中讀數(shù)據(jù)到 Buffer 中，對(duì)應(yīng)的是對(duì) Buffer 的寫入操作，初學(xué)者需要理清楚這個(gè)。

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

public final Buffer flip() {
    limit = position; // 將 limit 設(shè)置為實(shí)際寫入的數(shù)據(jù)數(shù)量
    position = 0; // 重置 position 為 0
    mark = -1; // mark 之后再說
    return this;
}

對(duì)應(yīng)寫入操作的一系列 put 方法，讀操作提供了一系列的 get 方法：

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

附一個(gè)經(jīng)常使用的方法：

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

當(dāng)然了，除了將數(shù)據(jù)從 Buffer 取出來使用，更常見的操作是將我們寫入的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?Channel 中，如通過 FileChannel 將數(shù)據(jù)寫入到文件中，通過 SocketChannel 將數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程機(jī)器等。對(duì)應(yīng)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(gè)基本的屬性外，還有一個(gè)常用的屬性就是 mark。

mark 用于臨時(shí)保存 position 的值，每次調(diào)用 mark() 方法都會(huì)將 mark 設(shè)值為當(dāng)前的 position，便于后續(xù)需要的時(shí)候使用。

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

那到底什么時(shí)候用呢？考慮以下場(chǎng)景，我們?cè)?position 為 5 的時(shí)候，先 mark() 一下，然后繼續(xù)往下讀，讀到第 10 的時(shí)候，我想重新回到 position 為 5 的地方重新來一遍，那只要調(diào)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(huì)重置 position 為 0，通常用于重新從頭讀寫 Buffer。

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

clear()：有點(diǎn)重置 Buffer 的意思，相當(dāng)于重新實(shí)例化了一樣。

通常，我們會(huì)先填充 Buffer，然后從 Buffer 讀取數(shù)據(jù)，之后我們?cè)僦匦峦锾畛湫碌臄?shù)據(jù)，我們一般在重新填充之前先調(diào)用 clear()。

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

compact()：和 clear() 一樣的是，它們都是在準(zhǔn)備往 Buffer 填充新的數(shù)據(jù)之前調(diào)用。

前面說的 clear() 方法會(huì)重置幾個(gè)屬性，但是我們要看到，clear() 方法并不會(huì)將 Buffer 中的數(shù)據(jù)清空，只不過后續(xù)的寫入會(huì)覆蓋掉原來的數(shù)據(jù)，也就相當(dāng)于清空了數(shù)據(jù)了。

而 compact() 方法有點(diǎn)不一樣，調(diào)用這個(gè)方法以后，會(huì)先處理還沒有讀取的數(shù)據(jù)，也就是 position 到 limit 之間的數(shù)據(jù)（還沒有讀過的數(shù)據(jù)），先將這些數(shù)據(jù)移到左邊，然后在這個(gè)基礎(chǔ)上再開始寫入。很明顯，此時(shí) limit 還是等于 capacity，position 指向原來數(shù)據(jù)的右邊。

Channel

所有的 NIO 操作始于通道，通道是數(shù)據(jù)來源或數(shù)據(jù)寫入的目的地，主要地，我們將關(guān)心 java.nio 包中實(shí)現(xiàn)的以下幾個(gè) Channel：

• FileChannel：文件通道，用于文件的讀和寫
• DatagramChannel：用于 UDP 連接的接收和發(fā)送
• SocketChannel：把它理解為 TCP 連接通道，簡(jiǎn)單理解就是 TCP 客戶端
• ServerSocketChannel：TCP 對(duì)應(yīng)的服務(wù)端，用于監(jiān)聽某個(gè)端口進(jìn)來的請(qǐng)求

這里不是很理解這些也沒關(guān)系，后面介紹了代碼之后就清晰了。還有，我們最應(yīng)該關(guān)注，也是后面將會(huì)重點(diǎn)介紹的是 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。

Channel 經(jīng)常翻譯為通道，類似 IO 中的流，用于讀取和寫入。它與前面介紹的 Buffer 打交道，讀操作的時(shí)候?qū)?Channel 中的數(shù)據(jù)填充到 Buffer 中，而寫操作時(shí)將 Buffer 中的數(shù)據(jù)寫入到 Channel 中。

至少讀者應(yīng)該記住一點(diǎn)，這兩個(gè)方法都是 channel 實(shí)例的方法。

FileChannel

我想文件操作對(duì)于大家來說應(yīng)該是最熟悉的，不過我們?cè)谡f NIO 的時(shí)候，其實(shí) FileChannel 并不是關(guān)注的重點(diǎn)。而且后面我們說非阻塞的時(shí)候會(huì)看到，F(xiàn)ileChannel 是不支持非阻塞的。

這里算是簡(jiǎn)單介紹下常用的操作吧，感興趣的讀者瞄一眼就是了。

初始化：

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

當(dāng)然了，我們也可以從 RandomAccessFile#getChannel 來得到 FileChannel。

讀取文件內(nèi)容：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int num = fileChannel.read(buffer);

前面我們也說了，所有的 Channel 都是和 Buffer 打交道的。

寫入文件內(nèi)容：

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

SocketChannel

我們前面說了，我們可以將 SocketChannel 理解成一個(gè) TCP 客戶端。雖然這么理解有點(diǎn)狹隘，因?yàn)槲覀冊(cè)诮榻B ServerSocketChannel 的時(shí)候會(huì)看到另一種使用方式。

打開一個(gè) TCP 連接：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80));

當(dāng)然了，上面的這行代碼等價(jià)于下面的兩行：

// 打開一個(gè)通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 發(fā)起連接
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80));

SocketChannel 的讀寫和 FileChannel 沒什么區(qū)別，就是操作緩沖區(qū)。

// 讀取數(shù)據(jù)
socketChannel.read(buffer);
// 寫入數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)連接中
while(buffer.hasRemaining()) {
    socketChannel.write(buffer);   
}

不要在這里停留太久，先繼續(xù)往下走。

ServerSocketChannel

之前說 SocketChannel 是 TCP 客戶端，這里說的 ServerSocketChannel 就是對(duì)應(yīng)的服務(wù)端。

ServerSocketChannel 用于監(jiān)聽機(jī)器端口，管理從這個(gè)端口進(jìn)來的 TCP 連接。

// 實(shí)例化
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 監(jiān)聽 8080 端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
while (true) {
    // 一旦有一個(gè) TCP 連接進(jìn)來，就對(duì)應(yīng)創(chuàng)建一個(gè) SocketChannel 進(jìn)行處理
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}

這里我們可以看到 SocketChannel 的第二個(gè)實(shí)例化方式

到這里，我們應(yīng)該能理解 SocketChannel 了，它不僅僅是 TCP 客戶端，它代表的是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通道，可讀可寫。

ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了，因?yàn)樗⒉粚?shí)際處理數(shù)據(jù)，它一旦接收到請(qǐng)求后，實(shí)例化 SocketChannel，之后在這個(gè)連接通道上的數(shù)據(jù)傳遞它就不管了，因?yàn)樗枰^續(xù)監(jiān)聽端口，等待下一個(gè)連接。

DatagramChannel

UDP 和 TCP 不一樣，DatagramChannel 一個(gè)類處理了服務(wù)端和客戶端。

科普一下，UDP 是面向無連接的，不需要和對(duì)方握手，不需要通知對(duì)方，就可以直接將數(shù)據(jù)包投出去，至于能不能送達(dá)，它是不知道的

監(jiān)聽端口：

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

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
channel.receive(buf);

發(fā)送數(shù)據(jù)：

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

NIO 三大組件就剩 Selector 了，Selector 建立在非阻塞的基礎(chǔ)之上，大家經(jīng)常聽到的 多路復(fù)用在 Java 世界中指的就是它，用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程管理多個(gè) Channel。

讀者在這一節(jié)不能消化 Selector 也沒關(guān)系，因?yàn)楹罄m(xù)在介紹非阻塞 IO 的時(shí)候還得說到這個(gè)，這里先介紹一些基本的接口操作。

1. 首先，我們開啟一個(gè) Selector。你們愛翻譯成 選擇器也好， 多路復(fù)用器也好。

   Selector selector = Selector.open();
   

2. 將 Channel 注冊(cè)到 Selector 上。前面我們說了，Selector 建立在非阻塞模式之上，所以注冊(cè)到 Selector 的 Channel 必須要支持非阻塞模式， FileChannel 不支持非阻塞，我們這里討論最常見的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。

   // 將通道設(shè)置為非阻塞模式，因?yàn)槟J(rèn)都是阻塞模式的
   channel.configureBlocking(false);
   // 注冊(cè)
   SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
   

   register 方法的第二個(gè) int 型參數(shù)（使用二進(jìn)制的標(biāo)記位）用于表明需要監(jiān)聽哪些感興趣的事件，共以下四種事件：

   • SelectionKey.OP_READ

     對(duì)應(yīng) 00000001，通道中有數(shù)據(jù)可以進(jìn)行讀取

   • SelectionKey.OP_WRITE

     對(duì)應(yīng) 00000100，可以往通道中寫入數(shù)據(jù)

   • SelectionKey.OP_CONNECT

     對(duì)應(yīng) 00001000，成功建立 TCP 連接

   • SelectionKey.OP_ACCEPT

     對(duì)應(yīng) 00010000，接受 TCP 連接

   我們可以同時(shí)監(jiān)聽一個(gè) Channel 中的發(fā)生的多個(gè)事件，比如我們要監(jiān)聽 ACCEPT 和 READ 事件，那么指定參數(shù)為二進(jìn)制的 000 1000 1即十進(jìn)制數(shù)值 17 即可。

   注冊(cè)方法返回值是 SelectionKey實(shí)例，它包含了 Channel 和 Selector 信息，也包括了一個(gè)叫做 Interest Set 的信息，即我們?cè)O(shè)置的我們感興趣的正在監(jiān)聽的事件集合。

3. 調(diào)用 select() 方法獲取通道信息。用于判斷是否有我們感興趣的事件已經(jīng)發(fā)生了。

Selector 的操作就是以上 3 步，這里來一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，大家看一下就好了。之后在介紹非阻塞 IO 的時(shí)候，會(huì)演示一份可執(zhí)行的示例代碼。

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(zhǔn)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(duì)于 Selector，我們還需要非常熟悉以下幾個(gè)方法：

1. select()

   調(diào)用此方法，會(huì)將 上次 select 之后的準(zhǔn)備好的 channel 對(duì)應(yīng)的 SelectionKey 復(fù)制到 selected set 中。如果沒有任何通道準(zhǔn)備好，這個(gè)方法會(huì)阻塞，直到至少有一個(gè)通道準(zhǔn)備好。

2. selectNow()

   功能和 select 一樣，區(qū)別在于如果沒有準(zhǔn)備好的通道，那么此方法會(huì)立即返回 0。

3. select(long timeout)

   看了前面兩個(gè)，這個(gè)應(yīng)該很好理解了，如果沒有通道準(zhǔn)備好，此方法會(huì)等待一會(huì)

4. wakeup()

   這個(gè)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(diào)用，此時(shí)沒有線程在 select 上阻塞，那么之后的一個(gè) select() 或 select(timeout) 會(huì)立即返回，而不會(huì)阻塞，當(dāng)然，它只會(huì)作用一次。

小結(jié)

到此為止，介紹了 Buffer、Channel 和 Selector 的常見接口。

Buffer 和數(shù)組差不多，它有 position、limit、capacity 幾個(gè)重要屬性。put() 一下數(shù)據(jù)、flip() 切換到讀模式、然后用 get() 獲取數(shù)據(jù)、clear() 一下清空數(shù)據(jù)、重新回到 put() 寫入數(shù)據(jù)。

Channel 基本上只和 Buffer 打交道，最重要的接口就是 channel.read(buffer) 和 channel.write(buffer)。

Selector 用于實(shí)現(xiàn)非阻塞 IO，這里僅僅介紹接口使用，后續(xù)請(qǐng)關(guān)注非阻塞 IO 的介紹。

（全文完）