Java NIO API详解 选择自 DaiJiaLin 的 Blog

在JDK 1.4以前，Java的IO操作集中在java.io这个包中，是基于流的同步（blocking）API。对于大多数应用来说，这样的API使用很方便，然而，一些对性能要求较高的应用，尤其是服务端应用，往往需要一个更为有效的方式来处理IO。从JDK 1.4起，NIO API作为一个基于缓冲区，并能提供异步(non-blocking)IO操作的API被引入。本文对其进行深入的介绍。

NIO API主要集中在java.nio和它的subpackages中：

java.nio
定义了Buffer及其数据类型相关的子类。其中被java.nio.channels中的类用来进行IO操作的ByteBuffer的作用非常重要。

java.nio.channels
定义了一系列处理IO的Channel接口以及这些接口在文件系统和网络通讯上的实现。通过Selector这个类，还提供了进行异步IO操作的办法。这个包可以说是NIO API的核心。

java.nio.channels.spi
定义了可用来实现channel和selector API的抽象类。

java.nio.charset
       定义了处理字符编码和解码的类。

java.nio.charset.spi
       定义了可用来实现charset API的抽象类。

java.nio.channels.spi和java.nio.charset.spi这两个包主要被用来对现有NIO API进行扩展，在实际的使用中，我们一般只和另外的3个包打交道。下面将对这3个包一一介绍。

Package java.nio
这个包主要定义了Buffer及其子类。Buffer定义了一个线性存放primitive type数据的容器接口。对于除boolean以外的其他primitive type，都有一个相应的Buffer子类，ByteBuffer是其中最重要的一个子类。

下面这张UML类图描述了java.nio中的类的关系：



Buffer
定义了一个可以线性存放primitive type数据的容器接口。Buffer主要包含了与类型（byte, char…）无关的功能。值得注意的是Buffer及其子类都不是线程安全的。

每个Buffer都有以下的属性：

capacity
这个Buffer最多能放多少数据。capacity一般在buffer被创建的时候指定。
limit
在Buffer上进行的读写操作都不能越过这个下标。当写数据到buffer中时，limit一般和capacity相等，当读数据时，limit代表buffer中有效数据的长度。
position
读/写操作的当前下标。当使用buffer的相对位置进行读/写操作时，读/写会从这个下标进行，并在操作完成后，buffer会更新下标的值。
mark
一个临时存放的位置下标。调用mark()会将mark设为当前的position的值，以后调用reset()会将position属性设置为mark的值。mark的值总是小于等于position的值，如果将position的值设的比mark小，当前的mark值会被抛弃掉。

这些属性总是满足以下条件：
0 <= mark <= position <= limit <= capacity

limit和position的值除了通过limit()和position()函数来设置，也可以通过下面这些函数来改变：

Buffer clear()
把position设为0，把limit设为capacity，一般在把数据写入Buffer前调用。
Buffer flip()
把limit设为当前position，把position设为0，一般在从Buffer读出数据前调用。
Buffer rewind()
把position设为0，limit不变，一般在把数据重写入Buffer前调用。

Buffer对象有可能是只读的，这时，任何对该对象的写操作都会触发一个ReadOnlyBufferException。isReadOnly()方法可以用来判断一个Buffer是否只读。

ByteBuffer
在Buffer的子类中，ByteBuffer是一个地位较为特殊的类，因为在java.io.channels中定义的各种channel的IO操作基本上都是围绕ByteBuffer展开的。

ByteBuffer定义了4个static方法来做创建工作：

ByteBuffer allocate(int capacity)
创建一个指定capacity的ByteBuffer。
ByteBuffer allocateDirect(int capacity)
创建一个direct的ByteBuffer，这样的ByteBuffer在参与IO操作时性能会更好（很有可能是在底层的实现使用了DMA技术），相应的，创建和回收direct的ByteBuffer的代价也会高一些。isDirect()方法可以检查一个buffer是否是direct的。
ByteBuffer wrap(byte [] array)
ByteBuffer wrap(byte [] array, int offset, int length)
把一个byte数组或byte数组的一部分包装成ByteBuffer。

ByteBuffer定义了一系列get和put操作来从中读写byte数据，如下面几个：

byte get()
ByteBuffer get(byte [] dst)
byte get(int index)

ByteBuffer put(byte b)
ByteBuffer put(byte [] src)
ByteBuffer put(int index, byte b)

这些操作可分为绝对定位和相对定为两种，相对定位的读写操作依靠position来定位Buffer中的位置，并在操作完成后会更新position的值。
在其它类型的buffer中，也定义了相同的函数来读写数据，唯一不同的就是一些参数和返回值的类型。

除了读写byte类型数据的函数，ByteBuffer的一个特别之处是它还定义了读写其它primitive数据的方法，如：

int getInt()
       从ByteBuffer中读出一个int值。
ByteBuffer putInt(int value)
       写入一个int值到ByteBuffer中。

读写其它类型的数据牵涉到字节序问题，ByteBuffer会按其字节序（大字节序或小字节序）写入或读出一个其它类型的数据（int,long…）。字节序可以用order方法来取得和设置：

ByteOrder order()
       返回ByteBuffer的字节序。
ByteBuffer order(ByteOrder bo)
       设置ByteBuffer的字节序。

ByteBuffer另一个特别的地方是可以在它的基础上得到其它类型的buffer。如：

CharBuffer asCharBuffer()
为当前的ByteBuffer创建一个CharBuffer的视图。在该视图buffer中的读写操作会按照ByteBuffer的字节序作用到ByteBuffer中的数据上。

用这类方法创建出来的buffer会从ByteBuffer的position位置开始到limit位置结束，可以看作是这段数据的视图。视图buffer的readOnly属性和direct属性与ByteBuffer的一致，而且也只有通过这种方法，才可以得到其他数据类型的direct buffer。

ByteOrder
用来表示ByteBuffer字节序的类，可将其看成java中的enum类型。主要定义了下面几个static方法和属性：

ByteOrder BIG_ENDIAN
       代表大字节序的ByteOrder。
ByteOrder LITTLE_ENDIAN
       代表小字节序的ByteOrder。
ByteOrder nativeOrder()
       返回当前硬件平台的字节序。

MappedByteBuffer
ByteBuffer的子类，是文件内容在内存中的映射。这个类的实例需要通过FileChannel的map()方法来创建。


接下来看看一个使用ByteBuffer的例子，这个例子从标准输入不停地读入字符，当读满一行后，将收集的字符写到标准输出：
    public static void main(String [] args)
       throws IOException
    {
       // 创建一个capacity为256的ByteBuffer
       ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(256);
       while (true) {
           // 从标准输入流读入一个字符
           int c = System.in.read();
           // 当读到输入流结束时，退出循环
           if (c == -1)
              break;
         
           // 把读入的字符写入ByteBuffer中
           buf.put((byte) c);
           // 当读完一行时，输出收集的字符
           if (c == '\n') {
              // 调用flip()使limit变为当前的position的值,position变为0,
              // 为接下来从ByteBuffer读取做准备
              buf.flip();
              // 构建一个byte数组
              byte [] content = new byte[buf.limit()];
              // 从ByteBuffer中读取数据到byte数组中
              buf.get(content);
              // 把byte数组的内容写到标准输出
              System.out.print(new String(content));
              // 调用clear()使position变为0,limit变为capacity的值，
              // 为接下来写入数据到ByteBuffer中做准备
              buf.clear();
           }
       }
    }


Package java.nio.channels
这个包定义了Channel的概念，Channel表现了一个可以进行IO操作的通道（比如，通过FileChannel，我们可以对文件进行读写操作）。java.nio.channels包含了文件系统和网络通讯相关的channel类。这个包通过Selector和SelectableChannel这两个类，还定义了一个进行异步（non-blocking）IO操作的API，这对需要高性能IO的应用非常重要。

下面这张UML类图描述了java.nio.channels中interface的关系：



Channel
Channel表现了一个可以进行IO操作的通道，该interface定义了以下方法：

boolean isOpen()
       该Channel是否是打开的。
void close()
       关闭这个Channel，相关的资源会被释放。

ReadableByteChannel
定义了一个可从中读取byte数据的channel interface。

int read(ByteBuffer dst)
从channel中读取byte数据并写到ByteBuffer中。返回读取的byte数。

WritableByteChannel
定义了一个可向其写byte数据的channel interface。

int write(ByteBuffer src)
       从ByteBuffer中读取byte数据并写到channel中。返回写出的byte数。

ByteChannel
ByteChannel并没有定义新的方法，它的作用只是把ReadableByteChannel和WritableByteChannel合并在一起。

ScatteringByteChannel
继承了ReadableByteChannel并提供了同时往几个ByteBuffer中写数据的能力。

GatheringByteChannel
继承了WritableByteChannel并提供了同时从几个ByteBuffer中读数据的能力。

InterruptibleChannel
用来表现一个可以被异步关闭的Channel。这表现在两方面：
1．    当一个InterruptibleChannel的close()方法被调用时，其它block在这个InterruptibleChannel的IO操作上的线程会接收到一个AsynchronousCloseException。
2．    当一个线程block在InterruptibleChannel的IO操作上时，另一个线程调用该线程的interrupt()方法会导致channel被关闭，该线程收到一个ClosedByInterruptException，同时线程的interrupt状态会被设置。


接下来的这张UML类图描述了java.nio.channels中类的关系：



异步IO
异步IO的支持可以算是NIO API中最重要的功能，异步IO允许应用程序同时监控多个channel以提高性能，这一功能是通过Selector，SelectableChannel和SelectionKey这3个类来实现的。

SelectableChannel代表了可以支持异步IO操作的channel，可以将其注册在Selector上，这种注册的关系由SelectionKey这个类来表现（见UML图）。Selector这个类通过select()函数，给应用程序提供了一个可以同时监控多个IO channel的方法：

应用程序通过调用select()函数，让Selector监控注册在其上的多个SelectableChannel，当有channel的IO操作可以进行时，select()方法就会返回以让应用程序检查channel的状态，并作相应的处理。

下面是JDK 1.4中异步IO的一个例子，这段code使用了异步IO实现了一个time server：
    private static void acceptConnections(int port) throws Exception {
       // 打开一个Selector
       Selector acceptSelector =
           SelectorProvider.provider().openSelector();

       // 创建一个ServerSocketChannel，这是一个SelectableChannel的子类
       ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
       // 将其设为non-blocking状态，这样才能进行异步IO操作
       ssc.configureBlocking(false);

       // 给ServerSocketChannel对应的socket绑定IP和端口
       InetAddress lh = InetAddress.getLocalHost();
       InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress(lh, port);
       ssc.socket().bind(isa);

       // 将ServerSocketChannel注册到Selector上，返回对应的SelectionKey
       SelectionKey acceptKey =
           ssc.register(acceptSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

       int keysAdded = 0;

       // 用select()函数来监控注册在Selector上的SelectableChannel
       // 返回值代表了有多少channel可以进行IO操作 (ready for IO)
       while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) {
           // selectedKeys()返回一个SelectionKey的集合，
           // 其中每个SelectionKey代表了一个可以进行IO操作的channel。
           // 一个ServerSocketChannel可以进行IO操作意味着有新的TCP连接连入了
           Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys();
           Iterator i = readyKeys.iterator();

           while (i.hasNext()) {
              SelectionKey sk = (SelectionKey) i.next();
              // 需要将处理过的key从selectedKeys这个集合中删除
              i.remove();
              // 从SelectionKey得到对应的channel
              ServerSocketChannel nextReady =
                  (ServerSocketChannel) sk.channel();
              // 接受新的TCP连接
              Socket s = nextReady.accept().socket();
              // 把当前的时间写到这个新的TCP连接中
              PrintWriter out =
                  new PrintWriter(s.getOutputStream(), true);
              Date now = new Date();
              out.println(now);
              // 关闭连接
              out.close();
           }
       }
    }
这是个纯粹用于演示的例子，因为只有一个ServerSocketChannel需要监控，所以其实并不真的需要使用到异步IO。不过正因为它的简单，可以很容易地看清楚异步IO是如何工作的。

SelectableChannel
这个抽象类是所有支持异步IO操作的channel（如DatagramChannel、SocketChannel）的父类。SelectableChannel可以注册到一个或多个Selector上以进行异步IO操作。

SelectableChannel可以是blocking和non-blocking模式（所有channel创建的时候都是blocking模式），只有non-blocking的SelectableChannel才可以参与异步IO操作。

SelectableChannel configureBlocking(boolean block)
       设置blocking模式。
boolean isBlocking()
       返回blocking模式。

通过register()方法，SelectableChannel可以注册到Selector上。

int validOps()
返回一个bit mask，表示这个channel上支持的IO操作。当前在SelectionKey中，用静态常量定义了4种IO操作的bit值：OP_ACCEPT，OP_CONNECT，OP_READ和OP_WRITE。
SelectionKey register(Selector sel, int ops)
将当前channel注册到一个Selector上并返回对应的SelectionKey。在这以后，通过调用Selector的select()函数就可以监控这个channel。ops这个参数是一个bit mask，代表了需要监控的IO操作。
SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)
这个函数和上一个的意义一样，多出来的att参数会作为attachment被存放在返回的SelectionKey中，这在需要存放一些session state的时候非常有用。
boolean isRegistered()
       该channel是否已注册在一个或多个Selector上。

SelectableChannel还提供了得到对应SelectionKey的方法：

SelectionKey keyFor(Selector sel)
返回该channe在Selector上的注册关系所对应的SelectionKey。若无注册关系，返回null。

Selector
Selector可以同时监控多个SelectableChannel的IO状况，是异步IO的核心。

Selector open()
       Selector的一个静态方法，用于创建实例。

在一个Selector中，有3个SelectionKey的集合：
1． key set代表了所有注册在这个Selector上的channel，这个集合可以通过keys()方法拿到。
2． Selected-key set代表了所有通过select()方法监测到可以进行IO操作的channel，这个集合可以通过selectedKeys()拿到。
3． Cancelled-key set代表了已经cancel了注册关系的channel，在下一个select()操作中，这些channel对应的SelectionKey会从key set和cancelled-key set中移走。这个集合无法直接访问。

以下是select()相关方法的说明：

int select()
监控所有注册的channel，当其中有注册的IO操作可以进行时，该函数返回，并将对应的SelectionKey加入selected-key set。
int select(long timeout)
       可以设置超时的select()操作。
int selectNow()
       进行一个立即返回的select()操作。
Selector wakeup()
       使一个还未返回的select()操作立刻返回。

SelectionKey
代表了Selector和SelectableChannel的注册关系。

Selector定义了4个静态常量来表示4种IO操作，这些常量可以进行位操作组合成一个bit mask。

int OP_ACCEPT
有新的网络连接可以accept，ServerSocketChannel支持这一异步IO。
int OP_CONNECT
       代表连接已经建立（或出错），SocketChannel支持这一异步IO。
int OP_READ
int OP_WRITE
       代表了读、写操作。

以下是其主要方法：

Object attachment()
返回SelectionKey的attachment，attachment可以在注册channel的时候指定。
Object attach(Object ob)
       设置SelectionKey的attachment。
SelectableChannel channel()
       返回该SelectionKey对应的channel。
Selector selector()
       返回该SelectionKey对应的Selector。
void cancel()
       cancel这个SelectionKey所对应的注册关系。
int interestOps()
       返回代表需要Selector监控的IO操作的bit mask。
SelectionKey interestOps(int ops)
       设置interestOps。
int readyOps()
       返回一个bit mask，代表在相应channel上可以进行的IO操作。

ServerSocketChannel
支持异步操作，对应于java.net.ServerSocket这个类，提供了TCP协议IO接口，支持OP_ACCEPT操作。

ServerSocket socket()
       返回对应的ServerSocket对象。
SocketChannel accept()
       接受一个连接，返回代表这个连接的SocketChannel对象。

SocketChannel
支持异步操作，对应于java.net.Socket这个类，提供了TCP协议IO接口，支持OP_CONNECT，OP_READ和OP_WRITE操作。这个类还实现了ByteChannel，ScatteringByteChannel和GatheringByteChannel接口。
DatagramChannel和这个类比较相似，其对应于java.net.DatagramSocket，提供了UDP协议IO接口。

Socket socket()
       返回对应的Socket对象。
boolean connect(SocketAddress remote)
boolean finishConnect()
connect()进行一个连接操作。如果当前SocketChannel是blocking模式，这个函数会等到连接操作完成或错误发生才返回。如果当前SocketChannel是non-blocking模式，函数在连接能立刻被建立时返回true，否则函数返回false，应用程序需要在以后用finishConnect()方法来完成连接操作。

Pipe
包含了一个读和一个写的channel(Pipe.SourceChannel和Pipe.SinkChannel)，这对channel可以用于进程中的通讯。

FileChannel
用于对文件的读、写、映射、锁定等操作。和映射操作相关的类有FileChannel.MapMode，和锁定操作相关的类有FileLock。值得注意的是FileChannel并不支持异步操作。

Channels
这个类提供了一系列static方法来支持stream类和channel类之间的互操作。这些方法可以将channel类包装为stream类，比如，将ReadableByteChannel包装为InputStream或Reader；也可以将stream类包装为channel类，比如，将OutputStream包装为WritableByteChannel。


Package java.nio.charset
这个包定义了Charset及相应的encoder和decoder。下面这张UML类图描述了这个包中类的关系，可以将其中Charset，CharsetDecoder和CharsetEncoder理解成一个Abstract Factory模式的实现：



Charset
代表了一个字符集，同时提供了factory method来构建相应的CharsetDecoder和CharsetEncoder。

Charset提供了以下static的方法：

SortedMap availableCharsets()
       返回当前系统支持的所有Charset对象，用charset的名字作为set的key。
boolean isSupported(String charsetName)
       判断该名字对应的字符集是否被当前系统支持。
Charset forName(String charsetName)
       返回该名字对应的Charset对象。

Charset中比较重要的方法有：

String name()
       返回该字符集的规范名。
Set aliases()
       返回该字符集的所有别名。
CharsetDecoder newDecoder()
       创建一个对应于这个Charset的decoder。
CharsetEncoder newEncoder()
       创建一个对应于这个Charset的encoder。

CharsetDecoder
将按某种字符集编码的字节流解码为unicode字符数据的引擎。

CharsetDecoder的输入是ByteBuffer，输出是CharBuffer。进行decode操作时一般按如下步骤进行：

1． 调用CharsetDecoder的reset()方法。（第一次使用时可不调用）
2． 调用decode()方法0到n次，将endOfInput参数设为false，告诉decoder有可能还有新的数据送入。
3． 调用decode()方法最后一次，将endOfInput参数设为true，告诉decoder所有数据都已经送入。
4． 调用decoder的flush()方法。让decoder有机会把一些内部状态写到输出的CharBuffer中。

CharsetDecoder reset()
       重置decoder，并清除decoder中的一些内部状态。
CoderResult decode(ByteBuffer in, CharBuffer out, boolean endOfInput)
从ByteBuffer类型的输入中decode尽可能多的字节，并将结果写到CharBuffer类型的输出中。根据decode的结果，可能返回3种CoderResult：CoderResult.UNDERFLOW表示已经没有输入可以decode；CoderResult.OVERFLOW表示输出已满；其它的CoderResult表示decode过程中有错误发生。根据返回的结果，应用程序可以采取相应的措施，比如，增加输入，清除输出等等，然后再次调用decode()方法。
CoderResult flush(CharBuffer out)
有些decoder会在decode的过程中保留一些内部状态，调用这个方法让这些decoder有机会将这些内部状态写到输出的CharBuffer中。调用成功返回CoderResult.UNDERFLOW。如果输出的空间不够，该函数返回CoderResult.OVERFLOW，这时应用程序应该扩大输出CharBuffer的空间，然后再次调用该方法。
CharBuffer decode(ByteBuffer in)
一个便捷的方法把ByteBuffer中的内容decode到一个新创建的CharBuffer中。在这个方法中包括了前面提到的4个步骤，所以不能和前3个函数一起使用。

decode过程中的错误有两种：malformed-input CoderResult表示输入中数据有误；unmappable-character CoderResult表示输入中有数据无法被解码成unicode的字符。如何处理decode过程中的错误取决于decoder的设置。对于这两种错误，decoder可以通过CodingErrorAction设置成：
1． 忽略错误
2． 报告错误。（这会导致错误发生时，decode()方法返回一个表示该错误的CoderResult。）
3． 替换错误，用decoder中的替换字串替换掉有错误的部分。

CodingErrorAction malformedInputAction()
       返回malformed-input的出错处理。
CharsetDecoder onMalformedInput(CodingErrorAction newAction)
       设置malformed-input的出错处理。
CodingErrorAction unmappableCharacterAction()
       返回unmappable-character的出错处理。
CharsetDecoder onUnmappableCharacter(CodingErrorAction newAction)
       设置unmappable-character的出错处理。
String replacement()
       返回decoder的替换字串。
CharsetDecoder replaceWith(String newReplacement)
       设置decoder的替换字串。

CharsetEncoder
将unicode字符数据编码为特定字符集的字节流的引擎。其接口和CharsetDecoder相类似。

CoderResult
描述encode/decode操作结果的类。

CodeResult包含两个static成员：

CoderResult OVERFLOW
       表示输出已满
CoderResult UNDERFLOW
       表示输入已无数据可用。

其主要的成员函数有：

boolean isError()
boolean isMalformed()
boolean isUnmappable()
boolean isOverflow()
boolean isUnderflow()
       用于判断该CoderResult描述的错误。

int length()
       返回错误的长度，比如，无法被转换成unicode的字节长度。
void throwException()
       抛出一个和这个CoderResult相对应的exception。

CodingErrorAction
表示encoder/decoder中错误处理方法的类。可将其看成一个enum类型。有以下static属性：

CodingErrorAction IGNORE
       忽略错误。
CodingErrorAction REPLACE
       用替换字串替换有错误的部分。
CodingErrorAction REPORT
报告错误，对于不同的函数，有可能是返回一个和错误有关的CoderResult，也有可能是抛出一个CharacterCodingException。


参考文献
David Flanagan – Java in a Nutshell


作者：DaiJiaLin                      
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