Java高效NIO之Java IO基础

Java中有两套IO模型，分别是传统IO和JDK1.4新引入的NIO（叫New IO或 Non-Blocking IO，后者更能体现它的设计理念）。
在传统IO模型中，网络IO是基于数据流（Stream）的，数据的输入和输出分别对应InputStream和OutputStream。流数据只能逐字节的读取（或写入），直到所有数据读取（或写入）完毕，流数据只能单向的读取（或写入），无缓存区，无法对数据进行前后移动访问。
在NIO模型中，网络IO是基于Channel和IO多路复用技术，实现原理更接近OS的IO模型，网络读IO的两阶段模型（数据准备、数据拷贝）中，数据准备阶段是Non-Blocking的，Channel和Buffer配合主要处理的是数据拷贝阶段的工作。

传统IO模式，在处理数据流过程中，线程处于阻塞状态，直到流处理（读取后写入）完毕，所以一个线程只能处理一个IO任务，如果IO未准备就绪无数据（或不可写）线程只能一直等待，直到可以有数据（或可写）；
NIO模式，采用IO多路复用技术，使用选择器（Selector）监控一组IO，虽然Selector线程也处于阻塞状态，但一个线程可以同时处理多个IO任务，当IO就绪时，Selector返回就绪的IO并由程序进行处理。

NIO核心设计

如上图所示，NIO的核心涉及3部分，分别为Selector、Channel和Buffer。在描述数据读写操作时，需要特别注意读写的主体，从Channel的角度，读数据是指把数据从Channel读取数据写入Buffer，写数据是指把Buffer的数据写入Channel；从Buffer的角度，写数据是指把数据写入Buffer，读数据是指从Buffer中读取数据写入Channel或转换为其他数据类型。

Selector

Selector是NIO多理复用的执行组件，系统在处理多个IO任务时，可以把每个IO任务以Channel的方式注册到Selector，通过Selector.select()统一监控向其注册的Channel的状态，select()方法会阻塞，直到其中有Channel的IO状态准备就绪有数据可读（或IO可写）时，select()返回就绪IO的Channel由程序处理相关事件。
Selector只能监听SelectableChannel类型的Channel，主要应用场景为网络IO等数据准备阶段时间较长的IO，SocketChannel属于此类型，而FileChannel不属于。

Selector的主要方法：

1. open()：静态方法，创建Selector对象
2. select()：查询IO准备就绪的Channel

Channel

Channel是NIO中数据处理的入口，每个Channel对应着一个IO的底层数据Buffer，负责对Buffer的写入或读取操作。根据IO类型不同，Java中提供了如下通用Channel实现。

1. FileChannel：文件读写操作
2. SocketChannel：TCP Socket连接
3. ServerSocketChannel：TCP Socket服务器端，处理监听端口建立Socket的accept事件
4. DatagramChannel：UDP连接

SocketChannel的主要方法：

1. register()：向Selector注册Channel感兴趣的事件，事件包括：

   1. OP_ACCEPT：ServerSocketChannel收到客户端连接事件
   2. OP_CONNECT：客户端连接服务器成功事件
   3. OP_READ：Channel收到数据，可读事件
   4. OP_WRITE：Channel可写事件
2. open()：静态方法，建立Socket Channel通道
3. read()：从Channel中读取数据，写入Buffer
4. write()：把Buffer中数据写入Channel
5. map()：把Channel中部分数据或者全部数据映射成MappedByteBuffer

当Socket关闭后，会触发对端的OP_READ事件，但此时read()返回-1或throw IOexception，可以通过这两个判断来确定对端是否关闭，并调用close()方法关闭SocketChannel并执行清理工作。

Buffer

Buffer本质上是一块连续的内存区域，提供数据缓存功能和Channel对数据的读写操作能力。NIO提供了 ByteBuffer / CharBuffer / DoubleBuffer / FloatBuffer / IntBuffer / LongBuffer / ShortBuffer Buffer类型，实现读Java基本类型的缓存支持。对Buffer的读写操作过程中，涉及3个关键参数，即postion、limit和capacity。其中position和limit在读/写操作时具有不同的意义，而capacity读写时都是表示Buffer的大小。Buffer初始处于写状态，数据写入后，通过flip切换的读取状态，读取完后，再通过clear清除数据，准备写入。

Capacity
Buffer是一个固定大小的内存缓存区，Capacity就表示其总长度。向Buffer写入的数据字节（byte/char/int/long等）总长度不能超过Capacity。当Buffer写满时，需要（读取）清空后才能继续写入。

Position
Position初始位置为0，当Buffer读写模式切换时，也会自动重置为0。
读取模式时，Position表示当前读取数据的位置，读取当前位置数据后，Position自动移到下一个可读位置，读取位置不能超过Limit。
写入模式时，Position表达当前写入数据的位置，在当前位置写入数据后，Position自动移到下一个写入位置，写入位置不能超过Capacity - 1。

Limit
读模式时，Limit表示Buffer中可读取数据长度，当Buffer从写模式切换到读模式时，Limit值等于写模式时的Position。
写模式时，Limit表示可写入数据总长度，其值等于Capacity - 1。

Buffer的主要方法：

1. allocate()：静态方法，分配Buffer空间
2. allocateDirect()：静态方法，分配Native堆Buffer空间
3. flip()：调整position和limit到读取数据状态
4. clear()：清空数据，为再次写入数据准备
5. rewind()：设置position为0，重置读取位置
6. put()/get()：写入和读取数据

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

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

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