Java NIO 由以下幾個核心部份組成：

• Channels
• Buffers
• Selectors

雖然Java NIO 中除此以外還有很多類和組件，但在我看來，Channel，Buffer 和 Selector 構成了核心的API。其它組件，如Pipe和FileLock，只不過是與3個核心組件共同使用的工具類。因此，在概述中我將集中在這3個組件上。其它組件會在單獨的章節中講到。

Channel 和 Buffer

基本上，所有的 IO 在NIO 中都從1個Channel 開始。Channel 有點象流。 數據可以從Channel讀到Buffer中，也能夠從Buffer 寫到Channel中。這里有個圖示：



Channel和Buffer有好幾種類型。下面是JAVA NIO中的1些主要Channel的實現：

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

正如你所看到的，這些通道涵蓋了UDP 和 TCP 網絡IO，和文件IO。

與這些類1起的有1些有趣的接口，但為簡單起見，我盡可能在概述中不提到它們。本教程其它章節與它們相干的地方我會進行解釋。

以下是Java NIO里關鍵的Buffer實現：

• ByteBuffer
• CharBuffer
• DoubleBuffer
• FloatBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• ShortBuffer

這些Buffer覆蓋了你能通過IO發送的基本數據類型：byte, short, int, long, float, double 和 char。

Java NIO 還有個 Mappedyteuffer，用于表示內存映照文件， 我也不打算在概述中說明。

Selector

Selector允許單線程處理多個 Channel。如果你的利用打開了多個連接（通道），但每一個連接的流量都很低，使用Selector就會很方便。例如，在1個聊天服務器中。

這是在1個單線程中使用1個Selector處理3個Channel的圖示：



要使用Selector，得向Selector注冊Channel，然后調用它的select()方法。這個方法會1直阻塞到某個注冊的通道有事件就緒。1旦這個方法返回，線程就能夠處理這些事件，事件的例子有如新連接進來，數據接收等。

當學習了Java NIO和IO的API后，1個問題馬上涌入腦海：



Java NIO和IO的主要區分

下表總結了Java NIO和IO之間的主要差別，我會更詳細地描寫表中每部份的差異。

IO	NIO
Stream oriented	Buffer oriented
Blocking IO	Non blocking IO
	Selectors

面向流與面向緩沖

Java NIO和IO之間第1個最大的區分是，IO是面向流的，NIO是面向緩沖區的。 Java IO面向流意味著每次從流中讀1個或多個字節，直至讀取所有字節，它們沒有被緩存在任何地方。另外，它不能前后移動流中的數據。如果需要前后移動從流中讀取的數據，需要先將它緩存到1個緩沖區。 Java NIO的緩沖導向方法略有不同。數據讀取到1個它稍后處理的緩沖區，需要時可在緩沖區中前后移動。這就增加了處理進程中的靈活性。但是，還需要檢查是不是該緩沖區中包括所有您需要處理的數據。而且，需確保當更多的數據讀入緩沖區時，不要覆蓋緩沖區里還沒有處理的數據。

阻塞與非阻塞IO

Java IO的各種流是阻塞的。這意味著，當1個線程調用read() 或 write()時，該線程被阻塞，直到有1些數據被讀取，或數據完全寫入。該線程在此期間不能再干任何事情了。 Java NIO的非阻塞模式，使1個線程從某通道發送要求讀取數據，但是它僅能得到目前可用的數據，如果目前沒有數據可用時，就甚么都不會獲得。而不是保持線程阻塞，所以直至數據變的可以讀取之前，該線程可以繼續做其他的事情。 非阻塞寫也是如此。1個線程要求寫入1些數據到某通道，但不需要等待它完全寫入，這個線程同時可以去做別的事情。 線程通常將非阻塞IO的空閑時間用于在其它通道上履行IO操作，所以1個單獨的線程現在可以管理多個輸入和輸出通道（channel）。

選擇器（Selectors）

Java NIO的選擇器允許1個單獨的線程來監視多個輸入通道，你可以注冊多個通道使用1個選擇器，然后使用1個單獨的線程來“選擇”通道：這些通道里已有可以處理的輸入，或選擇已準備寫入的通道。這類選擇機制，使得1個單獨的線程很容易來管理多個通道。

NIO和IO如何影響利用程序的設計

不管您選擇IO或NIO工具箱，可能會影響您利用程序設計的以下幾個方面：

• 對NIO或IO類的API調用。
• 數據處理。
• 用來處理數據的線程數。

API調用

固然，使用NIO的API調用時看起來與使用IO時有所不同，但這其實不意外，由于其實不是僅從1個InputStream逐字節讀取，而是數據必須先讀入緩沖區再處理。

數據處理

使用純潔的NIO設計相較IO設計，數據處理也遭到影響。

在IO設計中，我們從InputStream或 Reader逐字節讀取數據。假定你正在處理1基于行的文本數據流，例如：



該文本行的流可以這樣處理：



請注意處理狀態由程序履行多久決定。換句話說，1旦reader.readLine()方法返回，你就知道肯定文本行就已讀完， readline()阻塞直到整行讀完，這就是緣由。你也知道此行包括名稱；一樣，第2個readline()調用返回的時候，你知道這行包括年齡等。 正如你可以看到，該處理程序僅在有新數據讀入時運行，并知道每步的數據是甚么。1旦正在運行的線程已處理過讀入的某些數據，該線程不會再回退數據（大多如此）。下圖也說明了這條原則：



而1個NIO的實現會有所不同，下面是1個簡單的例子：



注意第2行，從通道讀取字節到ByteBuffer。當這個方法調用返回時，你不知道你所需的所有數據是不是在緩沖區內。你所知道的是，該緩沖區包括1些字節，這使得處理有點困難。
假定第1次 read(buffer)調用后，讀入緩沖區的數據只有半行，例如，“Name:An”，你能處理數據嗎？明顯不能，需要等待，直到整行數據讀入緩存，在此之前，對數據的任何處理毫無意義。

所以，你怎樣知道是不是該緩沖區包括足夠的數據可以處理呢？好了，你不知道。發現的方法只能查看緩沖區中的數據。其結果是，在你知道所有數據都在緩沖區里之前，你必須檢查幾次緩沖區的數據。這不但效力低下，而且可使程序設計方案雜亂不堪。例如：



bufferFull()方法必須跟蹤有多少數據讀入緩沖區，并返回真或假，這取決于緩沖區是不是已滿。換句話說，如果緩沖區準備好被處理，那末表示緩沖區滿了。

bufferFull()方法掃描緩沖區，但必須保持在bufferFull（）方法被調用之前狀態相同。如果沒有，下1個讀入緩沖區的數據可能沒法讀到正確的位置。這是不可能的，但卻是需要注意的又1問題。

如果緩沖區已滿，它可以被處理。如果它不滿，并且在你的實際案例中成心義，你也許能處理其中的部份數據。但是許多情況下并不是如此。下圖展現了“緩沖區數據循環就緒”：



總結

NIO可以讓您只使用1個（或幾個）單線程管理多個通道（網絡連接或文件），但付出的代價是解析數據可能會比從1個阻塞流中讀取數據更復雜。

如果需要管理同時打開的不計其數個連接，這些連接每次只是發送少許的數據，例如聊天服務器，實現NIO的服務器多是1個優勢。一樣，如果你需要保持許多打開的連接到其他計算機上，如P2P網絡中，使用1個單獨的線程來管理你所有出站連接，多是1個優勢。1個線程多個連接的設計方案以下圖所示：



如果你有少許的連接使用非常高的帶寬，1次發送大量的數據，或許典型的IO服務器實現可能非常契合。下圖說明了1個典型的IO服務器設計：

Java NIO的通道類似流，但又有些不同：

• 既可以從通道中讀取數據，又可以寫數據到通道。但流的讀寫通常是單向的。
• 通道可以異步地讀寫。
• 通道中的數據總是要先讀到1個Buffer，或總是要從1個Buffer中寫入。

正如上面所說，從通道讀取數據到緩沖區，從緩沖區寫入數據到通道。以下圖所示：



Channel的實現

這些是Java NIO中最重要的通道的實現：

• FileChannel：從文件中讀寫數據。
• DatagramChannel：能通過UDP讀寫網絡中的數據。
• SocketChannel：能通過TCP讀寫網絡中的數據。
• ServerSocketChannel：可以監聽新進來的TCP連接，像Web服務器那樣。對每個新進來的連接都會創建1個SocketChannel。

基本的 Channel 示例

下面是1個使用FileChannel讀取數據到Buffer中的示例：



注意 buf.flip() 的調用，首先讀取數據到Buffer，然后反轉Buffer,接著再從Buffer中讀取數據。下1節會深入講授Buffer的更多細節。

Java NIO中的Buffer用于和NIO通道進行交互。如你所知，數據是從通道讀入緩沖區，從緩沖區寫入到通道中的。

緩沖區本質上是1塊可以寫入數據，然后可以從中讀取數據的內存。這塊內存被包裝成NIO Buffer對象，并提供了1組方法，用來方便的訪問該塊內存。

Buffer的基本用法

使用Buffer讀寫數據1般遵守以下4個步驟：

• 寫入數據到Buffer
• 調用flip()方法
• 從Buffer中讀取數據
• 調用clear()方法或compact()方法

當向buffer寫入數據時，buffer會記錄下寫了多少數據。1旦要讀取數據，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的所有數據。

1旦讀完了所有的數據，就需要清空緩沖區，讓它可以再次被寫入。有兩種方式能清空緩沖區：調用clear()或compact()方法。clear()方法會清空全部緩沖區。compact()方法只會清除已讀過的數據。任何未讀的數據都被移到緩沖區的起始處，新寫入的數據將放到緩沖區未讀數據的后面。

下面是1個使用Buffer的例子：



Buffer的capacity,position和limit

緩沖區本質上是1塊可以寫入數據，然后可以從中讀取數據的內存。這塊內存被包裝成NIO Buffer對象，并提供了1組方法，用來方便的訪問該塊內存。

為了理解Buffer的工作原理，需要熟習它的3個屬性：

• capacity
• position
• limit

position和limit的含義取決于Buffer處在讀模式還是寫模式。不管Buffer處在甚么模式，capacity的含義總是1樣的。

這里有1個關于capacity，position和limit在讀寫模式中的說明，詳細的解釋在插圖后面。



capacity

作為1個內存塊，Buffer有1個固定的大小值，也叫“capacity”.你只能往里寫capacity個byte、long，char等類型。1旦Buffer滿了，需要將其清空（通過讀數據或清除數據）才能繼續寫數據往里寫數據。

position

當你寫數據到Buffer中時，position表示當前的位置。初始的position值為0.當1個byte、long等數據寫到Buffer后， position會向前移動到下1個可插入數據的Buffer單元。position最大可為capacity