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Java网络编程与NIO详解4：浅析NIO包中的Buffer、Channel 和 Selector

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该系列博文会告诉你如何从计算机网络的基础知识入手，一步步地学习Java网络基础，从socket到nio、bio、aio和netty等网络编程知识，并且进行实战，网络编程是每一个Java后端工程师必须要学习和理解的知识点，进一步来说，你还需要掌握Linux中的网络编程原理，包括IO模型、网络编程框架netty的进阶原理，才能更完整地了解整个Java网络编程的知识体系，形成自己的知识框架。

为了更好地总结和检验你的学习成果，本系列文章也会提供部分知识点对应的面试题以及参考答案。

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本文将介绍 Java NIO 中三大组件 Buffer、Channel、Selector 的使用。

本来要一起介绍 非阻塞 IO 和 JDK7 的 异步 IO 的，不过因为之前的文章真的太长了，有点影响读者阅读，所以这里将它们放到另一篇文章中进行介绍。

Buffer

一个 Buffer 本质上是内存中的一块，我们可以将数据写入这块内存，之后从这块内存获取数据。

java.nio 定义了以下几个 Buffer 的实现，这个图读者应该也在不少地方见过了吧。

Java网络编程与NIO详解4：浅析NIO包中的Buffer、Channel 和 Selector

其实核心是最后的 ByteBuffer ，前面的一大串类只是包装了一下它而已，我们使用最多的通常也是 ByteBuffer。

我们应该将 Buffer 理解为一个数组，IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分别对应 int[]、char[]、double[] 等。

MappedByteBuffer 用于实现内存映射文件，也不是本文关注的重点。

我觉得操作 Buffer 和操作数组、类集差不多，只不过大部分时候我们都把它放到了 NIO 的场景里面来使用而已。下面介绍 Buffer 中的几个重要属性和几个重要方法。

position、limit、capacity

就像数组有数组容量，每次访问元素要指定下标，Buffer 中也有几个重要属性：position、limit、capacity。

Java网络编程与NIO详解4：浅析NIO包中的Buffer、Channel 和 Selector

最好理解的当然是 capacity，它代表这个缓冲区的容量，一旦设定就不可以更改。比如 capacity 为 1024 的 IntBuffer，代表其一次可以存放 1024 个 int 类型的值。一旦 Buffer 的容量达到 capacity，需要清空 Buffer，才能重新写入值。

position 和 limit 是变化的，我们分别看下读和写操作下，它们是如何变化的。

position的初始值是 0，每往 Buffer 中写入一个值，position 就自动加 1，代表下一次的写入位置。读操作的时候也是类似的，每读一个值，position 就自动加 1。

从写操作模式到读操作模式切换的时候（ flip ），position 都会归零，这样就可以从头开始读写了。

Limit：写操作模式下，limit 代表的是最大能写入的数据，这个时候 limit 等于 capacity。写结束后，切换到读模式，此时的 limit 等于 Buffer 中实际的数据大小，因为 Buffer 不一定被写满了。

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初始化 Buffer

每个 Buffer 实现类都提供了一个静态方法 allocate(int capacity) 帮助我们快速实例化一个 Buffer。如：

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

另外，我们经常使用 wrap 方法来初始化一个 Buffer。

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

填充 Buffer

各个 Buffer 类都提供了一些 put 方法用于将数据填充到 Buffer 中，如 ByteBuffer 中的几个 put 方法：

// 填充一个 byte 值
public abstract ByteBuffer put(byte b);
// 在指定位置填充一个 int 值
public abstract ByteBuffer put(int index, byte b);
// 将一个数组中的值填充进去
public final ByteBuffer put(byte[] src) {...}
public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length) {...}

上述这些方法需要自己控制 Buffer 大小，不能超过 capacity，超过会抛 java.nio.BufferOverflowException 异常。

对于 Buffer 来说，另一个常见的操作中就是，我们要将来自 Channel 的数据填充到 Buffer 中，在系统层面上，这个操作我们称为 读操作 ，因为数据是从外部（文件或网络等）读到内存中。

int num = channel.read(buf);

上述方法会返回从 Channel 中读入到 Buffer 的数据大小。

提取 Buffer 中的值

前面介绍了写操作，每写入一个值，position 的值都需要加 1，所以 position 最后会指向最后一次写入的位置的后面一个，如果 Buffer 写满了，那么 position 等于 capacity（position 从 0 开始）。

如果要读 Buffer 中的值，需要切换模式，从写入模式切换到读出模式。注意，通常在说 NIO 的读操作的时候，我们说的是从 Channel 中读数据到 Buffer 中，对应的是对 Buffer 的写入操作，初学者需要理清楚这个。

调用 Buffer 的 flip() 方法，可以从写入模式切换到读取模式。其实这个方法也就是设置了一下 position 和 limit 值罢了。

public final Buffer flip() {
    limit = position; // 将 limit 设置为实际写入的数据数量
    position = 0; // 重置 position 为 0
    mark = -1; // mark 之后再说
    return this;
}

对应写入操作的一系列 put 方法，读操作提供了一系列的 get 方法：

// 根据 position 来获取数据
public abstract byte get();
// 获取指定位置的数据
public abstract byte get(int index);
// 将 Buffer 中的数据写入到数组中
public ByteBuffer get(byte[] dst)

附一个经常使用的方法：

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

当然了，除了将数据从 Buffer 取出来使用，更常见的操作是将我们写入的数据传输到 Channel 中，如通过 FileChannel 将数据写入到文件中，通过 SocketChannel 将数据写入网络发送到远程机器等。对应的，这种操作，我们称之为 写操作 。

int num = channel.write(buf);

mark() & reset()

除了 position、limit、capacity 这三个基本的属性外，还有一个常用的属性就是 mark。

mark 用于临时保存 position 的值，每次调用 mark() 方法都会将 mark 设值为当前的 position，便于后续需要的时候使用。

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

那到底什么时候用呢？考虑以下场景，我们在 position 为 5 的时候，先 mark() 一下，然后继续往下读，读到第 10 的时候，我想重新回到 position 为 5 的地方重新来一遍，那只要调一下 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()：会重置 position 为 0，通常用于重新从头读写 Buffer。

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

clear()：有点重置 Buffer 的意思，相当于重新实例化了一样。

通常，我们会先填充 Buffer，然后从 Buffer 读取数据，之后我们再重新往里填充新的数据，我们一般在重新填充之前先调用 clear()。

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

compact()：和 clear() 一样的是，它们都是在准备往 Buffer 填充新的数据之前调用。

前面说的 clear() 方法会重置几个属性，但是我们要看到，clear() 方法并不会将 Buffer 中的数据清空，只不过后续的写入会覆盖掉原来的数据，也就相当于清空了数据了。

而 compact() 方法有点不一样，调用这个方法以后，会先处理还没有读取的数据，也就是 position 到 limit 之间的数据（还没有读过的数据），先将这些数据移到左边，然后在这个基础上再开始写入。很明显，此时 limit 还是等于 capacity，position 指向原来数据的右边。

Channel

所有的 NIO 操作始于通道，通道是数据来源或数据写入的目的地，主要地，我们将关心 java.nio 包中实现的以下几个 Channel：

Java网络编程与NIO详解4：浅析NIO包中的Buffer、Channel 和 Selector

FileChannel：文件通道，用于文件的读和写
DatagramChannel：用于 UDP 连接的接收和发送
SocketChannel：把它理解为 TCP 连接通道，简单理解就是 TCP 客户端
ServerSocketChannel：TCP 对应的服务端，用于监听某个端口进来的请求

这里不是很理解这些也没关系，后面介绍了代码之后就清晰了。还有，我们最应该关注，也是后面将会重点介绍的是 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。

Channel 经常翻译为通道，类似 IO 中的流，用于读取和写入。它与前面介绍的 Buffer 打交道，读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。

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至少读者应该记住一点，这两个方法都是 channel 实例的方法。

FileChannel

我想文件操作对于大家来说应该是最熟悉的，不过我们在说 NIO 的时候，其实 FileChannel 并不是关注的重点。而且后面我们说非阻塞的时候会看到，FileChannel 是不支持非阻塞的。

这里算是简单介绍下常用的操作吧，感兴趣的读者瞄一眼就是了。

初始化：

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

当然了，我们也可以从 RandomAccessFile#getChannel 来得到 FileChannel。

读取文件内容：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

int num = fileChannel.read(buffer);

前面我们也说了，所有的 Channel 都是和 Buffer 打交道的。

写入文件内容：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("随机写入一些内容到 Buffer 中".getBytes());
// Buffer 切换为读模式
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()) {
    // 将 Buffer 中的内容写入文件
    fileChannel.write(buffer);
}

SocketChannel

我们前面说了，我们可以将 SocketChannel 理解成一个 TCP 客户端。虽然这么理解有点狭隘，因为我们在介绍 ServerSocketChannel 的时候会看到另一种使用方式。

打开一个 TCP 连接：

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

当然了，上面的这行代码等价于下面的两行：

// 打开一个通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 发起连接
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80));

SocketChannel 的读写和 FileChannel 没什么区别，就是操作缓冲区。

// 读取数据
socketChannel.read(buffer);

// 写入数据到网络连接中
while(buffer.hasRemaining()) {
    socketChannel.write(buffer);   
}

不要在这里停留太久，先继续往下走。

ServerSocketChannel

之前说 SocketChannel 是 TCP 客户端，这里说的 ServerSocketChannel 就是对应的服务端。

ServerSocketChannel 用于监听机器端口，管理从这个端口进来的 TCP 连接。

// 实例化
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 监听 8080 端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));

while (true) {
    // 一旦有一个 TCP 连接进来，就对应创建一个 SocketChannel 进行处理
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
}

这里我们可以看到 SocketChannel 的第二个实例化方式

到这里，我们应该能理解 SocketChannel 了，它不仅仅是 TCP 客户端，它代表的是一个网络通道，可读可写。

ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了，因为它并不实际处理数据，它一旦接收到请求后，实例化 SocketChannel，之后在这个连接通道上的数据传递它就不管了，因为它需要继续监听端口，等待下一个连接。

DatagramChannel

UDP 和 TCP 不一样，DatagramChannel 一个类处理了服务端和客户端。

科普一下，UDP 是面向无连接的，不需要和对方握手，不需要通知对方，就可以直接将数据包投出去，至于能不能送达，它是不知道的

监听端口：

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

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

channel.receive(buf);

发送数据：

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 三大组件就剩 Selector 了，Selector 建立在非阻塞的基础之上，大家经常听到的 多路复用 在 Java 世界中指的就是它，用于实现一个线程管理多个 Channel。

读者在这一节不能消化 Selector 也没关系，因为后续在介绍非阻塞 IO 的时候还得说到这个，这里先介绍一些基本的接口操作。

首先，我们开启一个 Selector。你们爱翻译成 选择器 也好， 多路复用器 也好。
```
Selector selector = Selector.open();
```
将 Channel 注册到 Selector 上。前面我们说了，Selector 建立在非阻塞模式之上，所以注册到 Selector 的 Channel 必须要支持非阻塞模式， FileChannel 不支持非阻塞 ，我们这里讨论最常见的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。
```
// 将通道设置为非阻塞模式，因为默认都是阻塞模式的
channel.configureBlocking(false);
// 注册
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
```
register 方法的第二个 int 型参数（使用二进制的标记位）用于表明需要监听哪些感兴趣的事件，共以下四种事件：
- SelectionKey.OP_READ
  
  对应 00000001，通道中有数据可以进行读取
- SelectionKey.OP_WRITE
  
  对应 00000100，可以往通道中写入数据
- SelectionKey.OP_CONNECT
  
  对应 00001000，成功建立 TCP 连接
- SelectionKey.OP_ACCEPT
  
  对应 00010000，接受 TCP 连接
我们可以同时监听一个 Channel 中的发生的多个事件，比如我们要监听 ACCEPT 和 READ 事件，那么指定参数为二进制的 000 1 000 1 即十进制数值 17 即可。

注册方法返回值是 SelectionKey 实例，它包含了 Channel 和 Selector 信息，也包括了一个叫做 Interest Set 的信息，即我们设置的我们感兴趣的正在监听的事件集合。
调用 select() 方法获取通道信息。用于判断是否有我们感兴趣的事件已经发生了。

Selector 的操作就是以上 3 步，这里来一个简单的示例，大家看一下就好了。之后在介绍非阻塞 IO 的时候，会演示一份可执行的示例代码。

Selector selector = Selector.open();

channel.configureBlocking(false);

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

while(true) {
  // 判断是否有事件准备好
  int readyChannels = selector.select();
  if(readyChannels == 0) continue;

  // 遍历
  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();
  }
}

对于 Selector，我们还需要非常熟悉以下几个方法：

select()

调用此方法，会将 上次 select 之后的 准备好的 channel 对应的 SelectionKey 复制到 selected set 中。如果没有任何通道准备好，这个方法会阻塞，直到至少有一个通道准备好。
selectNow()

功能和 select 一样，区别在于如果没有准备好的通道，那么此方法会立即返回 0。
select(long timeout)

看了前面两个，这个应该很好理解了，如果没有通道准备好，此方法会等待一会
wakeup()

这个方法是用来唤醒等待在 select() 和 select(timeout) 上的线程的。如果 wakeup() 先被调用，此时没有线程在 select 上阻塞，那么之后的一个 select() 或 select(timeout) 会立即返回，而不会阻塞，当然，它只会作用一次。