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作者 | 汪伟俊

出品 | Java技术迷（ID：JavaFans1024）

NIO是JDK1.4新加入的API，很多人把它称为Not Blocking IO，意为非阻塞式IO，它是相较于传统的IO方式而言的，NIO在数据打包和传输方式上进行了较大的改良，增加了缓冲区、通道等等内容，使得NIO能够借助一个线程处理多个资源，读写效率也大大提升。

先来介绍NIO中的一个基本概念，缓冲区。在NIO中，任何数据的读写都需要借助缓冲区，你可以把缓冲区理解成一个数组，当要写入数据时就向数组中存值，当要读取数据时就从数组中取值。

创建缓冲区

对于缓冲区的创建，JDK提供了两种方式（以字节缓冲区ByteBuffer为例）：

allocate
wrap

其中allocate用于创建一个指定大小的缓冲区：

@Test
public void buffer(){
    // 指定长度的缓冲区
    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(5);
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        // 从缓冲区中获取数据
        System.out.print(byteBuffer.get() + "\t");
    }
}

运行结果：

0 0 0 0 0

通过缓冲区的get方法可以获取缓冲区中的数据，初始为数据类型的零值。

而wrap方法可以创建一个指定内容的缓冲区：

@Test
public void buffer(){
    // 指定内容的缓冲区
    ByteBuffer wrap = ByteBuffer.wrap("test".getBytes());
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        System.out.print((char) wrap.get() + "\t");
    }
}

运行结果：

t e s t

那么缓冲区内部的具体结构是如何的呢？数据的存取是怎样进行的呢？你需要了解缓冲区中的几个标记：

position：当前索引位置
limit：最大索引位置
capacity：缓冲区的总容量
remaining：缓冲区的剩余容量

来创建一个容量为10的缓冲区，然后分别输出这些标记的值：

@Test
public void buffer(){
    ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
    System.out.print(allocate.position() + "\t"); // 当前索引位置
    System.out.print(allocate.limit() + "\t"); // 最大索引位置，初始等于缓冲区大小
    System.out.print(allocate.capacity() + "\t"); // 返回缓冲区的总长度
    System.out.print(allocate.remaining() + "\t"); // 剩余能操作的容量（limit - position）
}

运行结果：

0 10 10 10

每个标记的位置如下图所示：

position指向的是当前索引位置，当向缓冲区中添加数据时，position便会随之移动，而limit指向的是最大索引位置（初始等于capacity），即position最大不会等于limit，remaining为缓冲区的剩余容量，remaining = limit - position。

向缓冲区添加数据

现在向缓冲区添加一个数据：

// 向缓冲区添加一个字节
allocate.put((byte) 97);

此时缓冲区标记会如何变化呢？首先position会右移一位，然后remaining变为9，其它的不影响，如下图所示：

我们可以试验一下是不是这样：

@Test
public void buffer(){
    ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
    // 向缓冲区添加一个字节
    allocate.put((byte) 97);
    System.out.print(allocate.position() + "\t");
    System.out.print(allocate.limit() + "\t");
    System.out.print(allocate.capacity() + "\t");
    System.out.print(allocate.remaining() + "\t");
}

运行结果：

1 10 10 9

结果正如我们所料。

缓冲区的put方法还能够传递一个数组，将一串数据进行添加：

// 向缓冲区添加一个字节
allocate.put("0123456789".getBytes());

若是当前缓冲区已经满了，则再向一个满的缓冲区添加数据会抛出异常：

@Test
public void buffer(){
    ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
    allocate.put("0123456789".getBytes());
    allocate.put((byte) 1);
}

运行结果：

java.nio.BufferOverflowException
 at java.nio.Buffer.nextPutIndex(Buffer.java:521)
    at java.nio.HeapByteBuffer.put(HeapByteBuffer.java:169)
    at com.wwj.nio.BufferDemo.buffer(BufferDemo.java:144)

通过缓冲区的hasRemaining方法可以判断当前缓冲区是否还能够继续添加数据：

@Test
public void buffer(){
    ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
    System.out.println(allocate.hasRemaining());
    allocate.put("0123456789".getBytes());
    System.out.println(allocate.hasRemaining());
}

运行结果：

true
false

缓冲区支持动态修改标记位置，以达到重新写入的需求：

@Test
public void buffer(){
    ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
    allocate.put("0123456789".getBytes());
    // 修改当前索引位置
    allocate.position(0);
    allocate.put((byte) 1);
    System.out.print(allocate.position() + "\t");
    System.out.print(allocate.limit() + "\t");
    System.out.print(allocate.capacity() + "\t");
    System.out.print(allocate.remaining() + "\t");
}

运行结果：

1 10 10 9

把position位置修改为0之后，又相当于对一个空的缓冲区进行操作了。

读取缓冲区数据

接下来介绍一下缓冲区数据的读取，在最开始我们已经使用过get方法来读取缓冲区的数据了，如下：

@Test
public void buffer() {
    ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
    allocate.put("0123".getBytes());
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        System.out.print(allocate.get() + "\t");
    }
}

大家可以猜一猜运行结果是什么呢：

0 0 0 0

也许有同学很奇怪，为什么添加的数据没有被读取出来，其实，如果你掌握了缓冲区中的标记，就能明白是为什么。

在创建了一个容量为10的缓冲区之后，标记如下图所示：

当向缓冲区添加了一个字节数组后，标记发生了变化：

此时我们调用get方法进行读取，它将从position位置也就是索引4位置开始往后读取，这样读取到的数据当然就是0了，若是想读取添加到缓冲区中的数据，则需要将position移动到索引0位置才行，不过JDK已经提供了这样的方法给我们：

@Test
public void buffer() {
    ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
    allocate.put("0123".getBytes());
    // 切换为读模式
    allocate.flip();
    for (int i = 0; i < allocate.limit(); i++) {
        System.out.print((char) allocate.get() + "\t");
    }
}

运行结果：

0 1 2 3

查看一下flip方法的源码：

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

关键就在于limit = position和position = 0，通过改变这两个标记后：

position重新回到了索引0的位置，这样就可以进行正常的读取了，而limit也修改为了写入数据的末尾位置，可以通过判断limit来终止读取条件。

与写入数据一样，缓冲区在读取数据的时候，也会不停地移动position，当所有数据都被读取后，再次读取数据将会抛出异常，因为position必须小于等于limit：

@Test
public void buffer() {
    ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
    allocate.put("0123".getBytes());
    // 切换为读模式
    allocate.flip();
    for (int i = 0; i < allocate.limit(); i++) {
        System.out.print((char) allocate.get() + "\t");
    }
    allocate.get();
}

运行结果：

0 1 2 3 
java.nio.BufferUnderflowException
 at java.nio.Buffer.nextGetIndex(Buffer.java:500)
 at java.nio.HeapByteBuffer.get(HeapByteBuffer.java:135)
 at com.wwj.nio.BufferDemo.buffer(BufferDemo.java:148)

但是通过索引读取数据将不会判断position是否小于等于limit，也不会移动position：

@Test
public void buffer() {
    ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
    allocate.put("0123".getBytes());
    // 切换为读模式
    allocate.flip();
    for (int i = 0; i < allocate.limit(); i++) {
        System.out.print((char) allocate.get() + "\t");
    }
    // 通过索引读取数据
    System.out.println((char) allocate.get(1));
}

运行结果：

0 1 2 3 1

数据读取完毕后，若是想重新对该缓冲区进行读取，则可以将position手动置为0，也可以调用JDK提供的方法：

// 调用rewind方法可以将当前索引重置为0
allocate.rewind();

rewind方法内部也是对position进行赋值为0的操作：

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

若是想重新对缓冲区进行写入，则调用clear方法：

// 切换写模式，此时会将当前索引置为0，将最大索引置为缓冲区容量
allocate.clear();

注意rewind方法和clear方法的区别，它们虽然都会将position置为0，但是clear方法还会将limit置为capacity的值，所以当想要再次读取缓冲区中的数据时，则可以调用rewind方法；当想要再次写入数据到缓冲区时，则可以调用clear方法。

来验证一下：

@Test
public void buffer() {
    ByteBuffer allocate = ByteBuffer.allocate(10);
    allocate.put("0123".getBytes());
    // 切换为读模式
    allocate.flip();
    for(int i = 0;i <allocate.limit();++i){
        allocate.get();
    }
    System.out.print("position:" + allocate.position() + "\t");
    System.out.print("limit:" + allocate.limit() + "\t");
    System.out.print("capacity:" + allocate.capacity() + "\t");
    System.out.print("remaining:" + allocate.remaining() + "\t");
    System.out.println();

    allocate.rewind();
    System.out.print("position:" + allocate.position() + "\t");
    System.out.print("limit:" + allocate.limit() + "\t");
    System.out.print("capacity:" + allocate.capacity() + "\t");
    System.out.print("remaining:" + allocate.remaining() + "\t");
    System.out.println();

    allocate.clear();
    System.out.print("position:" + allocate.position() + "\t");
    System.out.print("limit:" + allocate.limit() + "\t");
    System.out.print("capacity:" + allocate.capacity() + "\t");
    System.out.print("remaining:" + allocate.remaining() + "\t");
}

运行结果：

position:4  limit:4  capacity:10  remaining:0 
position:0  limit:4  capacity:10  remaining:4 
position:0  limit:10 capacity:10  remaining:10

    
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