Java NIO 中 Buffer 和 Channel 的简单介绍

2022-11-22 14:57:14

在使用 BufferedReader 读取输入流中的数据时，如果没有读到有效数据，程序将在此出阻塞该线程的执行（使用 InputStream 的 read() 方法从流中读取数据时，如果数据流中没有数据，它也会阻塞该线程）。也就是说，传统的输入流、输出流都是阻塞式输入、输出。

从 JDK 1.4 开始，Java 提供了一系列新的IO（New IO，简称 NIO），位于 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类以 NIO 为基础进行了改写，新增了满足 NIO 的功能。

Channel（通道）和 Buffer（缓冲）是 NIO 中的两个核心对象。

Buffer

Buffer 可以被理解成一个容器，它的本质是一个数组。

Buffer 是一个抽象类，其最常用的子类是 ByteBuffer。除此之外，还有对应于其他基本数据（boolean除外）对应的 Buffer 类：CharBuffer、ShorBuffer......等。

在 Buffer 中有三个重要的概念：capacity（容量）、limit（界限）、position（位置）。

capacity（容量）：缓冲区的容量，创建后不可改变，不可能为负值。
limit（界限）：limit 后的数据不可被读写。
position（位置）：用于指明下一个可以被读出的或者写入的缓冲区位置索引。

此外，Buffer 里还支持一个可选标记（mark），这些值满足下列关系：

0 << mark << position << limit << capacity

如图：

Buffer 的主要作用是装入数据，然后输出数据。

开始时 Buffer 的 position 为 0，limit 为 capacity，程序可以通过 put() 方法向 Buffer 中放入数据，没放入一些数据，position 相应地向后移动一些位置。

当 Buffer 装入数据结束后，调用 Buffer 的 flip() 方法，该方法将limit 设置为 position 所在位置，并将 position 设为 0，这就使得 Buffer 的读写指针又回到了开始位置，之后 Buffer 为输出数据做好准备。（调用 get() 方法可输出数据）

当 Buffer 输出数据结束后，Buffer 可调用 clear() 方法，这个方法不是清空 Buffer 的数据，它仅仅是将 position 设置为0，将 limit设置为 capacity，这样为再次向 Buffer 装入数据做准备。但之前已有的数据还是在 Buffer 中，后面装数据时会将原来位置的数据覆盖。

import java.nio.CharBuffer;

public class BufferDemo2 {

    public static void main(String[] args) {
        CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(8);     //创建 Buffer 时指定 capacity为8
        //开始时 limit = capacity = 8, position = 0
        System.out.println("capacity: " + buffer.capacity() 
                           + ", limit: " + buffer.limit() 
                           + ", position: " + buffer.position());

        // 输入数据
        buffer.put('a');
        buffer.put('b');
        buffer.put('c');
        // capacity: 8, limit: 8, position: 3
        System.out.println("capacity: " + buffer.capacity() 
                           + ", limit: " + buffer.limit() 
                           + ", position: " + buffer.position());  

        buffer.flip();
        System.out.println("******* flip  **");
        // capacity: 8, limit: 3, position: 0
        System.out.println("capacity: " + buffer.capacity() 
                           + ", limit: " + buffer.limit() 
                           + ", position: " + buffer.position()); 

        // 输出数据，返回a
        System.out.println("1: " + buffer.get());
        // capacity: 8, limit: 3, position: 1
        System.out.println("capacity: " + buffer.capacity() 
                           + ", limit: " + buffer.limit() 
                           + ", position: " + buffer.position()); 

        System.out.println("******* clear  **");
        buffer.clear();
        // capacity: 8, limit: 8, position: 0
        System.out.println("capacity: " + buffer.capacity() 
                           + ", limit: " + buffer.limit() 
                           + ", position: " + buffer.position());  

        System.out.println("clear 后，第一个元素: " + buffer.get(0));  // a
        System.out.println("clear 后，第三个元素: " + buffer.get(2));  // c
        buffer.put('d');
        System.out.println("limit: " + buffer.limit());     // 8
        System.out.println("position: " + buffer.position());   // 1
        System.out.println("clear 后，第一个元素: " + buffer.get(0));  // d
        System.out.println("clear 后，第三个元素: " + buffer.get(2));  // c
    }
}

Channel

Channel 类似于传统的流对象，但也有两个主要区别。

Channel 可以直接将指定文件的部分或全部直接映射成 Buffer。
程序不能直接访问 Channel 中的数据，包括读写都不行，Channel 只能与 Buffer 进行交互。

Java为 Channel 接口提供了 DatagramChannel、FileChannel、Pipe.SinkChannel,、Pipe.SourceChannel、 SelectableChannel,、ServerSocketChannel,、SocketChannel 等实现类。

其中， Pipe.SinkChannel,、Pipe.SourceChannel 是用于支持线程之间通信的管道 Channel ；ServerSocketChannel,、SocketChannel 是用于支持 TCP 网络通信的 Channel ；DatagramChannel 则是用于支持 UDP 网络通信的 DatagramChannel。

所有的 Channel 都不应该通过构造器来创建，而是通过传统的节点流 InputStram、OutputStream 的 getChannel() 方法来返回对应的 Channel ，不同节点流获得的 Channel 不一样。

例如，FileInputStream、FileOutputStream 的getChannel() 返回的是 FileChannel

Channel 中最常用的三类方法是 map()、read()、write()，其中：

map() 方法用于将 Channel 对应的部分或全部数据映射成 ByteBuffer；

read() 或 write() 方法都有一系列重载形式，这些方法用于从 Buffer 中读取或写入数据。

MappedByteBuffer map(FileChannel.MapMode mode,long position,long size) : 第一个参数执行映射时的模式，分别为只读、读写、专用这3种模式；

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.CharBuffer;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.CharsetDecoder;

/**
 * 将文件 object.txt 的内容复制到文件 b.txt 中，并在控制台输出
 */
public class FileChannelTest {
    public static void main(String[] args) {

        File f = new File("object.txt");
        try {
            //创建 FileInputStream，以该文件输入流创建 FileChannel
            FileChannel inChannel = new FileInputStream(f).getChannel();
            // 以文件输出流创建 FileChannel，用以控制输出
            FileChannel outChannel = new FileOutputStream("b.txt").getChannel();

            //将 inChannel 里的全部数据映射成 ByteBuffer
            MappedByteBuffer buffer = inChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, f.length());
            
            Charset charset = Charset.forName("GBK");
            // 直接将 buffer 里的数据全部输出
            outChannel.write(buffer);
            
            buffer.clear();
            // 创建解码器（CharsetDecoder）对象
            CharsetDecoder decoder = charset.newDecoder();
            // 使用解码器将 ByteBuffer 转换成 CharBuffer
            CharBuffer charBuffer = decoder.decode(buffer);
            // CharBuffer 的 toString 方法可以获取对应的字符串
            System.out.println(charBuffer);

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

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Buffer

Channel

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