NIO 是什么？

nio 是 non-blocking 的簡稱，在 jdk1.4 里提供的新 api。Sun 官方標(biāo)榜的特性如下：為所有的原始類型提供（Buffer）緩存支持。字符集編碼解碼解決方案。Channel：一個新的原始 I/O 抽象。支持鎖和內(nèi)存映射文件的文件訪問接口。提供多路（non-blocking）非阻塞式的高伸縮性 I/O。

NIO 實現(xiàn)高性能處理的原理是使用較少的線程來處理更多的任務(wù)。使用較少的 Thread 線程，通過 Selector 選擇器來執(zhí)行不同的 Channel 通道中的任務(wù)，執(zhí)行的任務(wù)再結(jié)合 AIO（異步 I/O）就能發(fā)揮服務(wù)器最大的性能，大大提升軟件運行效率。

Java NIO

Java NIO 采用非阻塞高性能運行的方式來避免出現(xiàn)以前“笨拙”的同步I/O帶來的低效率問題。NIO在大文件操作上相比常規(guī)I/O更加優(yōu)秀。

Buffer

基礎(chǔ)知識點

在使用傳統(tǒng)的 I/O 操作時，比如 InputStream/OutputStream ，通常是將數(shù)據(jù)暫存到 byte[] 或者 char[] 中，亦或者從 byte[] 或者 char[] 中來獲取數(shù)據(jù)，但是在 Java 語言中對 array 數(shù)組自身提供的可操作的 API 非常少，常用的操作僅僅是 length 屬性和下標(biāo)[x]，如果相對數(shù)組中的數(shù)據(jù)進(jìn)行更高級的操作，需要自己寫代碼來實現(xiàn)，處理方式比較原始。而 Java NIO 中的 Buffer 類在暫存數(shù)據(jù)的同時還提供了很多工具方法，大大提高了程序開發(fā)效率。

Buffer 是一個抽象類，用于存儲基本數(shù)據(jù)類型的容器，每個基本數(shù)據(jù)類型（除去 boolean ）都有一個子類與之對應(yīng)。它具有 7 個直接子類：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer。

注意：

Buffer 類沒有 BooleanBuffer 這個子類。

StringBuffer 在 java.lang 包下，而在 nio 包下并沒有，在 Nio 中存儲字符的緩沖區(qū)可以使用 CharBuffer 類。

緩沖區(qū)為非線程安全的。

在 Buffer 中有 4 個核心技術(shù)點：capacity、limit、position、mark。他們之間值的大小關(guān)系如下：

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

• capacity：容量。代表該緩沖區(qū)當(dāng)前所能容納的元素的數(shù)量。不能為負(fù)數(shù)，且不能更改。
• limit：限制。代表第一個不應(yīng)該讀取或?qū)懭朐氐?index 索引。不能為負(fù)數(shù)，且不能大于其 capacity。
• position：位置。代表下一個將要讀取或?qū)懭朐氐?index 索引。不能為負(fù)數(shù)，且不能大于其 limit 。如果新設(shè)置的 limit 小于 position，那么新的 limit 值就是 limit。
• mark：標(biāo)記。緩沖區(qū)的標(biāo)記是一個索引，定義標(biāo)記時，不能將其定義為負(fù)數(shù)，且不能大于其 position。標(biāo)記并不是必需的，如果定義了 mark，在調(diào)用 reset() 方法時，會將緩沖區(qū)的 position 重置為該標(biāo)記索引；在將 position 或者 limit 調(diào)整為小于該 mark 的值時，該 mark 會被丟棄，丟棄后 mark 的值時 -1。如果未定義 mark 調(diào)用 reset() 方法將導(dǎo)致拋出 invalidMarkException 異常。

Buffer 中常用 API

堆內(nèi)存與堆外內(nèi)存

使用間接緩沖區(qū)（堆內(nèi)存）向硬盤存取數(shù)據(jù)時需要首先將數(shù)據(jù)復(fù)制暫存到 JVM 的中間緩沖區(qū)中，然后 Java 程序才能對數(shù)據(jù)進(jìn)行實際的讀寫操作。如果有頻繁操作數(shù)據(jù)的情況發(fā)生，會提高內(nèi)存占有率，大大降低軟件對數(shù)據(jù)的吞吐量。

使用非間接緩沖區(qū)（堆外內(nèi)存）無需 JVM 創(chuàng)建新的中間緩沖區(qū)，可直接在內(nèi)核空間完成數(shù)據(jù)的處理，這樣就減少了在 JVM 中創(chuàng)建緩沖區(qū)的步驟，增加了程序運行效率。

處理數(shù)據(jù)常用操作

以 ByteBuffer 為例，提供了 5 類操作。

相對 / 絕對位置操作

相對位置操作是指在讀取或?qū)懭胍粋€或多個元素時，它從“當(dāng)前位置開始”，然后將位置增加鎖傳輸?shù)脑貍€數(shù)。如果請求的傳輸超出限制，則相對 get 操作將拋出 BufferUnderflowException 異常，相對 put 操作將拋出 BufferOverflowException 異常，也就是說，在這兩種情況下 ，都沒有數(shù)據(jù)傳輸。

絕對位置操作采用顯示元素索引，該操作不影響位置。如果索引參數(shù)超出限制，則絕對 get 操作和絕對 put 操作將拋出 IndexOutBoundsException 異常。

getType / putType 操作

可以直接根據(jù)源基本數(shù)據(jù)類型將數(shù)據(jù)寫入此緩沖區(qū)，或者從此緩沖區(qū)讀取指定類型的數(shù)據(jù)，同時此為緩沖區(qū)的位置位置根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型所占的字節(jié)數(shù)做相應(yīng)的增加。

緩沖區(qū)類型轉(zhuǎn)換

通過調(diào)用 asXXXBuffer() 方法，將源字節(jié)緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換成特定類型的緩沖區(qū)。新緩沖區(qū)的內(nèi)容將從此緩沖區(qū)的當(dāng)前位置開始。此緩沖區(qū)內(nèi)容的更改，在新緩沖區(qū)中是可見的，反之亦然。這兩個緩沖區(qū)的位置、限制和標(biāo)記值是相互獨立的。新緩沖區(qū)的位置將為 0，其容量和限制與所轉(zhuǎn)換的視圖緩沖區(qū)類型有關(guān)，比如，將字節(jié)緩沖區(qū)通過 asCharBuffer() 方法轉(zhuǎn)換成字符緩沖區(qū)，那么新的字符緩沖區(qū)的容量和限制將為源字節(jié)緩沖區(qū)中所剩字節(jié)數(shù)的 1/2，其標(biāo)記時不確定的。當(dāng)且僅當(dāng)源緩沖區(qū)為直接緩沖區(qū)時，新緩沖區(qū)才是直接緩沖區(qū)；當(dāng)且僅當(dāng)源緩沖區(qū)是只讀緩沖區(qū)時，新緩沖區(qū)才是只讀緩沖區(qū)。

注意：

當(dāng)緩沖區(qū)類型轉(zhuǎn)換后，再讀取時，需要注意其讀寫時的編碼，如果編碼不一致，會導(dǎo)致中文亂碼。解決辦法就是調(diào)整在轉(zhuǎn)換前后的讀寫編碼一致。

只讀緩沖區(qū)

通過 asReadOnlyBuffer() 方法創(chuàng)建共享此緩沖區(qū)內(nèi)容的只讀緩沖區(qū)。新緩沖區(qū)的內(nèi)容將為此緩沖區(qū)的內(nèi)容。此緩沖區(qū)內(nèi)容的更改在新緩沖區(qū)中是可見的，但是新緩沖區(qū)是只讀，不允許修改共享內(nèi)容。兩個緩沖區(qū)的位置、限制和標(biāo)記值是相互獨立的。新緩沖區(qū)的容量、限制、位置和標(biāo)記值將于此緩沖區(qū)相同。

壓縮緩沖區(qū)

將緩沖區(qū)的當(dāng)前位置和限制之間的字節(jié)（如果有）復(fù)制到緩沖區(qū)的開始處。即將所有 p = position() 處的字節(jié)復(fù)制到索引 0 處，將索引 p+1 處的字節(jié)復(fù)制到索引 1 處，以此類推，直到將索引 limit() – 1 處的字節(jié)復(fù)制到索引 n = limit() – 1 – p 處。然后，將緩沖區(qū)的位置設(shè)置為 n + 1 ，并且將其限制設(shè)置為其容量。如果已定義了標(biāo)記，則丟棄它。

// 1. 緩沖區(qū)中的內(nèi)容|1|2|3|4|5|6|7|8|9|// 2. 執(zhí)行讀取操作到索引 3 處|1|2|3|>4|5|6|7|8|9|// 3. 經(jīng)過 compact 壓縮后緩沖區(qū)數(shù)據(jù)內(nèi)容為|4|5|6|7|8|9|7|8|9|

復(fù)制緩沖區(qū)

通過 duplicate() 方法創(chuàng)建共享此緩沖區(qū)內(nèi)容的新的緩沖區(qū)。新緩沖區(qū)的內(nèi)容將為此緩沖區(qū)的內(nèi)容。此緩沖區(qū)內(nèi)容的更改在新緩沖區(qū)中是可見的，反之亦然。在創(chuàng)建新緩沖區(qū)時，容量、限制、位置和標(biāo)記值將與此緩沖區(qū)相同，但是這兩個緩沖區(qū)的位置、限制和標(biāo)記值是相互獨立的。當(dāng)且僅當(dāng)此緩沖區(qū)為直接緩沖區(qū)時，新緩沖區(qū)才是直接緩沖區(qū)；當(dāng)且僅當(dāng)此緩沖區(qū)為只讀緩沖區(qū)時，新緩沖區(qū)才是只讀緩沖區(qū)。

截取緩沖區(qū)

通過 slice() 方法創(chuàng)建新的字節(jié)緩沖區(qū)，其內(nèi)容是此緩沖區(qū)內(nèi)容的共享子序列。新的緩沖區(qū)內(nèi)容將從此緩沖區(qū)的當(dāng)前位置開始。此緩沖區(qū)內(nèi)容的更改在新緩沖區(qū)中是可見的，反之亦然。這兩個緩沖區(qū)的位置、限制和標(biāo)記是相互獨立的。新緩沖區(qū)的位置將為 0，其容量和限制為此緩沖區(qū)中所剩余的字節(jié)數(shù)量，標(biāo)記是不確定的。當(dāng)且僅當(dāng)此緩沖區(qū)為直接緩沖區(qū)時，新緩沖區(qū)才是直接緩沖區(qū)；當(dāng)且僅當(dāng)此緩沖區(qū)為只讀緩沖區(qū)時，新緩沖區(qū)才是只讀緩沖區(qū)。

比較緩沖區(qū)的內(nèi)容

比較緩沖區(qū)內(nèi)容是否相同有兩種方法：equals() 和 compareTo()。這兩種方法還是有使用細(xì)節(jié)上的區(qū)別。

public boolean equals(Object ob) { // 1. 如果比較的是同一個對象，則直接返回 true if (this == ob) return true; // 2. 如果所比較的對象非 ByteBuffer 類型對象，直接返回 false if (!(ob instanceof ByteBuffer)) return false; // 3. 將所比較的對象轉(zhuǎn)換成 ByteBuffer 類型，然后比較兩者剩余元素個數(shù)，即 remaing 值，如果不相等，直接返回 false ByteBuffer that = (ByteBuffer)ob; if (this.remaining() != that.remaining()) return false; // 4. 倒敘逐個比較兩個 ByteBuffer 對象剩余元素是否相同，如果有一個不同，則直接返回 false。 int p = this.position(); for (int i = this.limit() – 1, j = that.limit() – 1; i >= p; i–, j–) if (!equals(this.get(i), that.get(j))) return false; return true;}

從源碼中可以看出 equals() 方法比較的是兩個 ByteBuffer 對象中剩余元素是否相等，包括個數(shù)及每個元素的序列值。而兩個緩沖區(qū)的容量可以不同。

public int compareTo(ByteBuffer that) { /** * 1.在此緩沖區(qū)的基礎(chǔ)上，計算需要比較的元素終點位置。 * 以當(dāng)前位置為起點，加上兩個 ByteBuffer 對象最小的剩余元素個數(shù)為終點 * 說明判斷范圍是兩個 ByteBuffer 對象的 remaining 的交集 **/ int n = this.position() + Math.min(this.remaining(), that.remaining()); // 2. 正序比較兩個 ByteBuffer 對象 remaining 交集中的元素是否相同，如果有一個不同，返回兩者的差值 thisIndex – thatIndex for (int i = this.position(), j = that.position(); i < n; i++, j++) { int cmp = compare(this.get(i), that.get(j)); if (cmp != 0) return cmp; } // 3. 如果交集中的元素都相同，那么比較兩個 ByteBuffer 對象的 remaining 元素個數(shù)，返回兩者的差值 thisRemaining – thatRemaining return this.remaining() – that.remaining();}

源碼可以看出 compareTo 方法也是比較的兩個 ByteBuffer 對象的剩余元素，只不過返回的是某個字節(jié)序列的差值或者兩個 remaining 的差值。與兩個緩沖區(qū)的容量無關(guān)，這一點與 equals() 方法一致。

• 如果兩個 ByteBuffer 對象的 remaining 交集中有一個元素的序列值不相等，那么返回他們的差值。
• 如果兩個 ByteBuffer 對象的 remaining 交集中的所有元素的序列值都相等，在進(jìn)行比較兩個 ByteBuffer 對象的 remaining 個數(shù)，并返回他們的差值。

Channel

緩沖區(qū)是將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，而通道是將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。緩沖區(qū)是類，而通道都是接口，因為通道的功能實現(xiàn)是要依賴操作系統(tǒng)的，Channel 接口只定義有哪些功能，而功能的具體實現(xiàn)在不同的操作系統(tǒng)中是不一樣的。

通道是用于 IO 操作的連接，可處于打開或關(guān)閉兩種狀態(tài)，當(dāng)創(chuàng)建通道時，通道就處于打開狀態(tài)，一旦將其關(guān)閉，則保持關(guān)閉狀態(tài)。通過 isOpen() 方法可以測試通道是否處于打開狀態(tài)，避免出現(xiàn) ClosedChannelException 異常。

Channel 接口類圖結(jié)構(gòu)

Channel接口類圖

AutoCloseable 接口

AutoCloseable 接口的作用是可以自動關(guān)閉，而不需要顯示地調(diào)用 close() 方法。AutoCloseable 接口強調(diào)的是與 try() 結(jié)合實現(xiàn)自動關(guān)閉。該接口之定義了一個 close() 方法，因為針對的是任何資源的關(guān)閉，而不只是 I/O，因此 close() 方法拋出的是 Exception 異常。而且該接口不要求是冪等的，也就是重復(fù)調(diào)用此接口的 close() 方法會出現(xiàn)副作用。

public class DBOperate implements AutoCloseable { @Override public void close() throws Exception { System.out.println(“關(guān)閉連接”); }}public class Test { public static void main(String[] args){ try (DBOprate dbo = new DBOprate()){ System.out.println(“開始數(shù)據(jù)庫操作”); }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } }}//輸出結(jié)果:開始數(shù)據(jù)庫操作關(guān)閉連接

Closeable 接口

Closeable 接口繼承自 AutoCloseable 接口，其作用是關(guān)閉 I/O 流，釋放系統(tǒng)資源，所以該接口的 close() 方法拋出 IOException 異常。該接口的 close() 方法是冪等的，可以重復(fù)調(diào)用此接口的 close() 方法，而不會出現(xiàn)任何效果與影響。

AsynchronousChannel 接口

主要作用是使通道支持異步 I/O 操作。異步 I/O 操作有以下兩種方式進(jìn)行實現(xiàn)：

• 方法Future operation(…)Future 對象可以用于檢測 I/O 操作是否完成，或者等待完成，以及用于接收 I/O 操作處理后的結(jié)果。但是需要開發(fā)人員編寫檢測邏輯。
• 回調(diào)void operation(… A attachment, CompletionHandler handler)A 類型的對象 attachment 的主要作用是讓外部與 CompletionHandler 對象內(nèi)部進(jìn)行通信。有點是 CompletionHandler 對象可以被復(fù)用，當(dāng) I/O 操作成功或失敗時，CompletionHandler 對象中的指定方法會自動被調(diào)用，不需要開發(fā)人員編寫檢測的邏輯。

異步通道在多線程并發(fā)的情況下是線程安全的。某些通道的實現(xiàn)是可以支持并發(fā)讀和寫的，但是不允許在一個未完成的 I/O 操作上再次調(diào)用 read 或 wwrite 操作。

異步通道支持取消操作，通過調(diào)用 Future 接口定義的 cancel() 方法來取消執(zhí)行，這會導(dǎo)致那些等待處理 I/O 結(jié)果的線程拋出 CancellationException 異常。

AsynchronousByteChannel 接口

主要作用是使通道支持異步 I/O 操作，操作單位為字節(jié)。在上一個 read() 或 write() 方法未完成之前再次調(diào)用，會拋出 ReadPendingException 或者 WritePendingException 異常。

ByteBuffer 類不是線程安全的，盡量保證在對其進(jìn)行讀寫操作時，沒有其他線程一同進(jìn)行讀寫操作。

ReadableByteChannel 接口

主要作用是使通道運行對字節(jié)進(jìn)行讀操作。該接口只允許有 1 個讀操作在進(jìn)行，如果 1 個線程正在 1 個通道上執(zhí)行 1 個 read() 操作，那么任何試圖發(fā)起另一個 read() 操作的線程都會被阻塞，直到第 1 個 read() 操作完成。即該接口的 read() 方法是同步的。

該通道只接受以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)處理，因為通道和操作系統(tǒng)進(jìn)行交互時，操作系統(tǒng)只接受字節(jié)數(shù)據(jù)。

ScatteringByteChannel 接口

主要作用是可以從通道中讀取字節(jié)到多個緩沖區(qū)中。

WritableByteChannel 接口

主要作用是使通道運行對字節(jié)進(jìn)行寫操作。將字節(jié)緩沖區(qū)中的字節(jié)序列寫入到通道的當(dāng)前位置，該接口只允許有 1 個寫操作在進(jìn)行，如果 1 個線程正在 1 個通道上執(zhí)行 1 個 write() 操作，那么任何試圖發(fā)起另一個 write() 操作的線程都會被阻塞，直到第 1 個 write() 操作完成。即該接口的 write() 方法是同步的。

GatheringByteChannel 接口

主要作用是可以將多個緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入到通道中。

ByteChannel 接口

主要作用是將 ReadableByteChannel（可讀字節(jié)通道）與 WritableByteChannel（可寫字節(jié)通道）的規(guī)范進(jìn)行了統(tǒng)一。ByteChannel 沒有添加任何新的方法就實現(xiàn)了具有讀和寫的功能，是雙向的操作。

SeekableByteChannel 接口

主要作用是在字節(jié)通道中維護 position，以及允許 position 發(fā)生改變。

NetworkChannel 接口

主要作用是使通道與 Socket 進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使通道中的數(shù)據(jù)能在 Socket 技術(shù)上進(jìn)行傳輸。

MulticastChannel 接口

主要作用是使通道支持 Internet Protocol(IP) 多播。也就是將多個主機地址進(jìn)行打包，形成一個組（group），然后將 IP 報文向這個組進(jìn)行發(fā)送，也就相當(dāng)于同時向多個主機傳輸數(shù)據(jù)。

InterruptibleChannel 接口

主要作用是使通道能以異步的方式進(jìn)行關(guān)閉與中斷。

FileChannel 類的使用

以 FileChannel 為例來介紹下通道（Channel）的一般常用操作，不同的通道雖然 Channel 類型不同，但是在程序中所起到的作用是相同的，再結(jié)合上述的接口類圖，根據(jù)不同類型的 Channel 接口實現(xiàn)可以實現(xiàn)特定的功能。

FileChannel類圖

通過類圖分析得知 FileChannel 是一個可以讀取、寫入、可中斷和操作文件的通道：

• 實現(xiàn)了 WritebleByteChannel 和 ReadableByteChannel 類型的接口，說明支持讀和寫操作；
• 繼承了 AbstractInterruptibleChannel 類，說明是一個可中斷的通道；
• 沒有實現(xiàn) AsynchronousChannel 類型的接口，所以 FileChnnel 不支持異步，永遠(yuǎn)是阻塞的操作；

FileChannel 在內(nèi)部維護當(dāng)前文件的 position ，可對其進(jìn)行查詢和修改。該文件本身包含一個可讀寫、長度可變的字節(jié)序列，并且可以查詢該文件的當(dāng)前大小。當(dāng)寫入的字節(jié)超出文件的當(dāng)前大小時，則增加文件的大小；截取該文件時，則減小文件的大?。坏祟愇炊x訪問元數(shù)據(jù)的方法，所以無法訪問文件的元數(shù)據(jù)，比如：權(quán)限、內(nèi)容類型和最后修改時間等。

除了通道常見的讀、寫和關(guān)閉操作外，此類還定義了下列特定于文件的操作：

FileChannel 類沒有定義打開現(xiàn)有文件通道或創(chuàng)建新文件通道的方法，可通過調(diào)用現(xiàn)有的 FileInputStream、FileOutputStream、或 RandomAccessFile 對象的 getChannel() 方法來獲得。

• 通過 FiltInputStream 實例的 getChannel() 方法獲得的通道將允許進(jìn)行讀取操作；
• 通過 FileOutputStream 實例的 getChannel() 方法獲得的通道將允許進(jìn)行寫入操作，如果輸出流對象是通過 FileOutputStream(File,boolean) 構(gòu)造方法且第二個參數(shù)傳入 true 創(chuàng)建的，則該通道模式可能處于添加模式，每次調(diào)用相關(guān)的寫入操作都會首先將位置移動到文件的末尾，然后寫入請求的數(shù)據(jù)；
• 通過調(diào)用通過 r 模式創(chuàng)建的 RandomAccessFile 實例的 getChannel() 方法獲得的通道將允許進(jìn)行讀取操作，RandomAccessFile 實例是通過 rw 模式創(chuàng)建，那么獲得的通道將允許進(jìn)行讀取和寫入操作；

FileLock 類具有平臺依賴性，此文件鎖定 API 直接映射到底層操作系統(tǒng)的本機鎖定機制。因此，無論程序使用何種語言編寫的，某個文件上所保持的鎖定對于所有訪問該文件的程序來說都應(yīng)該是可見的。

關(guān)于 force(boolean metaData) 強制更新

其實在調(diào)用 FileChannel 類的 Write() 方法時，操作系統(tǒng)為了運行的效率，顯示把那些將要保存到硬盤上的數(shù)據(jù)暫時放入操作系統(tǒng)的緩存中，以減少硬盤的讀寫次數(shù)，然后在某一個時間點再將內(nèi)核緩存中的數(shù)據(jù)批量地同步到硬盤中，但同步的時間卻是由操作系統(tǒng)決定的。通過 force(boolean metaData) 強制進(jìn)行同步，這樣做的目的是防止在系統(tǒng)崩潰或斷電時緩存中的數(shù)據(jù)丟失而造成損失。但是，force(boolean metaData) 方法并不能完全保證數(shù)據(jù)不丟失，如果正在執(zhí)行 force(boolean metaData) 方法時出現(xiàn)斷電的情況，那么硬盤上的數(shù)據(jù)有可能就不是完整的，而且由于斷電的原因?qū)е聝?nèi)核緩存中的數(shù)據(jù)也丟失了，最終造成的結(jié)果就是 force(boolean metaData) 方法執(zhí)行了，數(shù)據(jù)也有可能丟失。所以，force(boolean metaData) 方法的最終目的是盡最大的努力減少數(shù)據(jù)的丟失。

內(nèi)存映射

通過 MappedByteBuffer map(FileChannel.MapMode mode, long position, long size) 方法可以將此通道的文件區(qū)域直接映射到內(nèi)存中。

映射模式有以下 3 種：

對于只讀映射關(guān)系，此通道必須可以進(jìn)行讀取操作；對于讀取/寫入或?qū)Ｓ糜成潢P(guān)系，此通道必須可以進(jìn)行讀取和寫入操作。

映射關(guān)系一經(jīng)創(chuàng)建，就不再依賴于創(chuàng)建它時所用的文件通道。特別是關(guān)閉該通道對映射關(guān)系的有效性沒有任何影響。

對于大多數(shù)操作系統(tǒng)而言，與通過普通的 read() 和 write() 方法讀取或?qū)懭霐?shù)千字節(jié)的數(shù)據(jù)相比，將文件映射到內(nèi)存中開銷更大。從性能的觀點來看，通常將相對較大的文件映射到內(nèi)存中才是值得的。

MappedByteBuffer 類的 force() 方法的作用是將此緩沖區(qū)所做的更改強制寫入包含映射文件的存儲設(shè)備中。如果此緩沖區(qū)不是以讀/寫模式映射的，則調(diào)用此方法無效。

零拷貝

零拷貝（Zero-copy）技術(shù)是指計算機執(zhí)行操作時，CPU 不需要先將數(shù)據(jù)從某處內(nèi)存復(fù)制到另一個特定區(qū)域。這種技術(shù)通常用于通過網(wǎng)絡(luò)傳輸文件時節(jié)省CPU周期和內(nèi)存帶寬。——百度百科

如果要讀取一個文件并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送它，傳統(tǒng)方式下每個讀/寫周期都需要復(fù)制兩次數(shù)據(jù)和切換兩次上下文（用戶空間和內(nèi)核空間之間的切換），而數(shù)據(jù)的復(fù)制都需要依靠CPU。通過零復(fù)制技術(shù)完成相同的操作，上下文切換減少到兩次，并且不需要CPU復(fù)制數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)I/O操作

BIO

• 讀虛擬機會從用戶空間向內(nèi)核空間發(fā)起一個讀命令的系統(tǒng)調(diào)用，由用戶空間模式切換到內(nèi)核空間模式（一次上下文切換）。內(nèi)核空間通過 DAM 將數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)核空間的一個緩沖區(qū)（第一次拷貝）完成真正向磁盤讀取數(shù)據(jù)的請求，。將內(nèi)核空間緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)通過 CPU 再次拷貝到用戶空間的緩沖區(qū)中（第二次拷貝）。讀取操作完成，程序?qū)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理。
• 寫虛擬機從用戶空間向內(nèi)核空間發(fā)起一個寫命令的系統(tǒng)調(diào)用，將用戶空間緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)通過 CPU 拷貝到內(nèi)核空間緩沖區(qū)。并由用戶空間模式切換到內(nèi)核空間模式（一次上下文切換和一次數(shù)據(jù)拷貝）。內(nèi)核空間通過DAM完成數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)絡(luò)的功能（第二次拷貝，將數(shù)據(jù)拷貝到協(xié)議棧）。并返回內(nèi)核空間。內(nèi)核空間將結(jié)果反饋給用戶空間（第二次上下文切換）。結(jié)束。

代碼示例

File file = new File(“test.txt”);RandomAccessFile = raf = new RandomAccessFile(file,”rw”);byte[] arr = new byte[(int)file.length()];raf.read(arr);Socket socket = new ServerSocket(8888).accept();socket.getOutputStream().write(arr);

這段代碼就是讀取一個本地文件內(nèi)容，然后再將其內(nèi)容通過 Socket 連接寫出去。看起來就幾行代碼，但是涉及到多次內(nèi)存拷貝。其流程如下：

Java NIO 操作

Java NIO 中的 transferTo 可以實現(xiàn)零拷貝。零拷貝，并不是不拷貝，而是整個過程不需要進(jìn)行 CPU 拷貝。

NIO

首先還是通過 DAM 拷貝到內(nèi)核空間的 buffer 中，然后再通過 CPU 拷貝到 socket buffer ，最后由 DAM 拷貝到協(xié)議棧。但這次的 CPU 拷貝內(nèi)容很少，只拷貝內(nèi)核 buffer 的長度、偏移量等信息，消耗很低，可以忽略。因此稱為零拷貝。減少了用戶空間與內(nèi)核空間的相互切換和數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)。

代碼示例

傳統(tǒng) I/O 拷貝大文件

/** * 服務(wù)端 */public class OldIoServer { @SuppressWarnings(“resource”) public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666); while (true) { Socket socket = serverSocket.accept(); DataInputStream dataInputStream = new DataInputStream(socket.getInputStream()); byte[] byteArray = new byte[4096]; while (true) { int readCount = dataInputStream.read(byteArray, 0, byteArray.length); if (-1 == readCount) { break; } } } }}/** * 客戶端 */public class OldIoClient { @SuppressWarnings(“resource”) public static void main(String[] args) throws Exception { Socket socket = new Socket(“127.0.0.1”, 6666); // 需要拷貝的文件 String fileName = “E:downloadsoftwindowsjdk-8u171-windows-x64.exe”; InputStream inputStream = new FileInputStream(fileName); DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream()); byte[] buffer = new byte[4096]; long readCount; long total = 0; long start = System.currentTimeMillis(); while ((readCount = inputStream.read(buffer)) >= 0) { total += readCount; dataOutputStream.write(buffer); } long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println(“傳輸總字節(jié)數(shù)：” + total + “，耗時：” + (end – start) + “毫秒”); dataOutputStream.close(); inputStream.close(); socket.close(); }}

這里拷貝了一個 JDK ，最后運行結(jié)果如下：

傳輸總字節(jié)數(shù)：217342912，耗時：4803毫秒

使用 Java NIO 的 transferTo 拷貝

/** * 服務(wù)端 */public class NioServer { public static void main(String[] args) throws IOException { InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(6666); ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket(); serverSocket.bind(address); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4096); while (true) { SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept(); int readCount = 0; while (-1 != readCount) { readCount = socketChannel.read(buffer); buffer.rewind(); // 倒帶，將position設(shè)置為0，mark設(shè)置為-1 } } }}/** * 客戶端 */public class NioClient { @SuppressWarnings(“resource”) public static void main(String[] args) throws IOException { SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); socketChannel.connect(new InetSocketAddress(“127.0.0.1”, 6666)); String fileName = “E:downloadsoftwindowsjdk-8u171-windows-x64.exe”; FileChannel channel = new FileInputStream(fileName).getChannel(); long start = System.currentTimeMillis(); // 在linux下，transferTo方法可以一次性發(fā)送數(shù)據(jù) // 在windows中，transferTo方法傳輸?shù)奈募^8M得分段 long totalSize = channel.size(); long transferTotal = 0; long position = 0; long count = 8 * 1024 * 1024; if (totalSize > count) { BigDecimal totalCount = new BigDecimal(totalSize).pide(new BigDecimal(count)).setScale(0, RoundingMode.UP); for (int i=1; i<=totalCount.intValue(); i++) { if (i == totalCount.intValue()) { transferTotal += channel.transferTo(position, totalSize, socketChannel); } else { transferTotal += channel.transferTo(position, count + position, socketChannel); position = position + count; } } } else { transferTotal += channel.transferTo(position, totalSize, socketChannel); } long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("發(fā)送的總字節(jié)：" + transferTotal + "，耗時：" + (end – start) + "毫秒"); channel.close(); socketChannel.close(); }}

運行結(jié)果如下：

發(fā)送的總字節(jié)：217342912，耗時：415毫秒

從結(jié)果可以看到，BIO與NIO耗時相差一個數(shù)量級，NIO只要0.4s，而BIO要4s。所以在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，使用 NIO 的零拷貝，可以大大提高性能。

Selector

Selector 與 I/O 多路復(fù)用

Selector 稱為選擇器，可以將通道注冊進(jìn)選擇器中，選擇器與通道之間屬于一對多的關(guān)系，也就是使用 1 個線程來操作多個通道。主要作用就是使用 1 個線程來對多個通道中已就緒的通道進(jìn)行選擇，然后就可以對選擇的通道進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這種機制在 NIO 技術(shù)中稱為 I/O 多路復(fù)用。它的優(yōu)勢是可以節(jié)省 CPU 資源，因為只有 1 個線程，CPU 不需要在不同的線程間進(jìn)行上下文切換（線程的上下文切換是一個非常耗時的動作），并且因為線程對象的數(shù)量大幅減少，降低了內(nèi)存占用率，這對設(shè)計高性能服務(wù)器具有很重要的意義。

多路復(fù)用的核心目的是使用最少的線程去操作更多的通道，在其內(nèi)部其實并不永遠(yuǎn)只是一個線程，線程數(shù)量會隨著通道的多少而動態(tài)地增減以進(jìn)行適配。在 JDK 源碼中，創(chuàng)建線程的個數(shù)是根據(jù)通道的數(shù)量來決定的，每注冊 1023 個通道就創(chuàng)建 1 個新的線程。

注意：

在使用 I/O 多路復(fù)用時，這個線程不是以 for 循環(huán)的方式來判斷每個通道是否有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而是以操作系統(tǒng)底層作為”通知器”，來 “通知JVM 中的線程”哪個通道中的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理。當(dāng)不使用 for 循環(huán)的方式來進(jìn)行判斷，而是使用通知的方式時，這就大大提高了程序運行的效率，不會出現(xiàn)無限期的 for 循環(huán)迭代空運行了。

Selector 類是抽象類，是 SelectableChannel 對象的多路復(fù)用器。也就是說只有 selectableChannel 通道才能被 Selector 所復(fù)用。

通過 Selector.open() 方法來獲得一個 Selector 對象。open() 方法內(nèi)部又是通過 SelectorProvider 對象來獲取/打開一個選擇器并返回的。SelectorProvider 類的作用是用于選擇器和可選擇通道的服務(wù)提供者類，給定的對 Java 虛擬機的調(diào)用維護了單個系統(tǒng)級的默認(rèn)提供者實例，它由 provider() 方法返回。

在通過調(diào)用選擇器的close() 方法關(guān)閉選擇器之前，選擇器一直保持打開狀態(tài)。

通過 SelectionKey 對象來表示 SelectableChannel 到選擇器的注冊。選擇器維護了 3 種 SelectionKey-Set （選擇鍵集），在新建的選擇器中，這 3 個集合都是空集合：

無論是通過關(guān)閉某個鍵的通道還是調(diào)用該鍵的 cancel() 方法來取消鍵，該鍵都被添加到選擇器的已取消鍵集中。取消某個鍵會導(dǎo)致在下一次 select() 方法選擇操作期間注銷該鍵的通道，而在注銷時將從所有選擇器的鍵集中移除該鍵。

通過 select() 方法選擇操作將鍵添加到已選擇鍵集中?？赏ㄟ^調(diào)用已選擇鍵集的 remove() 方法，或者通過調(diào)用從該鍵集獲得的 iterator 的 remove() 方法直接移除某個鍵。通過任何其他方式都無法直接將鍵從已選擇鍵集中移除。無法將鍵直接添加到已選擇鍵集中。

select() 方法返回值的含義是已更新其準(zhǔn)備就緒操作集的鍵的數(shù)目，該數(shù)目可能為零或非零，非零的情況就是新的準(zhǔn)備就緒鍵的個數(shù)。零說明當(dāng)前沒有通道準(zhǔn)備就緒，更新準(zhǔn)備就緒操作集的鍵的個數(shù)為零，如果沒有調(diào)用 remove() 方法，此時準(zhǔn)備就緒操作集的鍵與上次保持一致。

注意：

在每次處理完一個已選擇鍵對應(yīng)的事件后，需要手動調(diào)用 remove() 方法將其從已選擇鍵集中移除，不然會造成重復(fù)消費的情況，導(dǎo)致程序異常。

在每次 select() 操作期間，都可以將鍵添加到選擇器的已選擇鍵集或從中將其移除，并且可以從其鍵集合已取消鍵集中移除。涉及以下 3 個步驟：

在執(zhí)行選擇操作的過程中，更改選擇器鍵的相關(guān)集合對該操作沒有影響，在進(jìn)行下一次選擇操作時才會看到此更改。一般情況下，選擇器的鍵和已選擇鍵集由多個并發(fā)線程使用是不安全的。

SelectionKey

SelectionKey 表示 SelectableChannel 在選擇器中的注冊的標(biāo)記。

SelectionKey 支持將單個任意對象附加到某個鍵的操作?？赏ㄟ^ attach() 方法附加對象，然后通過 attachment() 方法獲取該對象。

SelectableChannel

SelectableChannel 類和 FileChannel 類是平級關(guān)系，都是繼承自父類 AbstractInterruptibleChannel。抽象類 SelectableChannel 有很多子類，這里只展示了在 Socket 編程中常用的 ServerSocketChannel 和 SocketChannel， 如下圖：

SelectableChannel 類可以通過選擇器實現(xiàn)多路復(fù)用。在與選擇器結(jié)合使用的時候，首先需要調(diào)用 SelectableChannel 對象的 register() 方法在選擇器對象里注冊當(dāng)前 SelectableChannel。

一個通道最多只能在任意特定選擇器上注冊一次?？梢酝ㄟ^ isRegistered() 方法來確定是否已經(jīng)向一個或多個選擇器注冊了某個通道。

新創(chuàng)建的 SelectableChannel 總是處于阻塞模式，在結(jié)合使用基于選擇器的多路復(fù)用時，向選擇器注冊某個通道前，必須先將該通道置于非阻塞模式。

ServerSocketChannel 類是抽象的，可通過其 open() 方法創(chuàng)建實例。其實 ServerSocketChannel 和 SocketChannel 只是對 ServerSocket 和 Socket 的封裝，目的就是要結(jié)合選擇器達(dá)到多路復(fù)用的效果。單純的使用 SocketChannel 只是對 ServerSocket 是實現(xiàn)不了 I/O 多路復(fù)用的。

SelectionKey register(Selector sel, int ops) 方法的作用是向給定的選擇器注冊此通道，返回一個選擇鍵（SelectionKey）。參數(shù) sel 代表要向其注冊此通道的選擇器，ops 參數(shù)就是通道感興趣的時間，也就是通道能執(zhí)行操作的集合，包括：SelectionKey.OP_ACCEPT – 用于套接字接受操作的操作集位、SelectionKey.OP_CONNECT – 用于套接字連接操作的操作集位、SelectionKey.OP_READ – 用于讀取操作的操作集位和 SelectionKey.OP_WRITE – 用于寫入操作的操作集位。