Netty原理詳解系列(一)---NIO中的Buffer&Chanel

1.概述

在BIO API中是通過InputStream 與outPutStream 兩個流進行輸入輸出，而NIO 使用一個雙向通信的管道代替了它倆，管道(Channel)必須依賴緩沖區（Buffer）實作通信，

管道對比流多了一些如：非阻塞、堆外記憶體映射、零拷貝等特性，

2.緩沖區Buffer定義

管道要依賴于緩沖區，所以先來介紹一下緩沖區的概念和使用，

緩沖區內部維護了一個陣列來存盤資料，快取區并不支持存盤的任意的資料型別，只能存盤一些基本資料型別，

具備讀寫、清空的功能，不具備執行緒安全，需要自行的控制執行緒安全問題，

3.Buffer內部結構

拿ByteBuffer舉例，它是Buffer的一個子類，用于存盤Byte型別的資料，其他的緩沖區差不多，只是存盤的資料型別不同，

內部維護了一個byte陣列，用來存盤資料的，

父類Buffer有4個重要的屬性：

• capacity

  表示陣列的容量大小

• limit

  限制Buffer的可讀和可寫的范圍，默認等于capacity

• position

  當前讀寫的位置，默認是0，每讀取一位或寫一位，則+1.

• mark

  做標記，用于reset將position設定到這個位置，默認是-1

4者的位置關系：mark <= position <= limit <= capacity

4.Buffer常用的操作

4.1 allocate

分配緩沖區的存盤空間，初始化所有的屬性，例如：

得到的結果如下：

4.2 wrap

基于陣列包裝一個Buffer，position為0，limit為容量值

測驗代碼如下：

buffer結果如下：

4.3 put

寫入緩沖區，測驗代碼如下：

在put的程序中，會改變position，也就是說每寫入一個數字，就會將position+1.當第7次寫入的時候，position會超過limit的限制，此時會拋出例外BufferOverflowExeception

4.4 flip

為讀取做好準備，在put完之后，執行flip可以重置position，設定成0.

之后的讀取操作就從position的位置開始，

測驗代碼如下：

執行完put 5 之后 buffer的結果如下：

接著執行flip，結果如下：

根據結果就可以看出flip的作用，將position設定成0

并且將limit設定成了原先position的位置，此時的limit就限制了讀的范圍，

4.5 get

讀取緩沖區的內容，每讀取一個，position位置后移動一位

測驗代碼如下：

當讀取到第5個的時候，此時的buffer里面的內容如下：

可以發現此時的position已經到了limit的限制邊界，如果再次讀取就會報錯，讀取越界例外BufferUnderflowException

4.6 mark

設定標記位，記錄下當前的位置

測驗代碼如下：

執行完mark后，將mark屬性設定成position，也就是做了個標記

4.7 reset

reset的作用就是將position的值設定成mark，用于修改緩沖區中的一段資料，或者重復的讀取緩沖區中的一段資料，

測驗代碼如下：

執行完reset之后，buffer結果如下

在記錄mark標記后為，讀取了兩個數字，并將者兩個數字修改了，reset之后，position又回到了mark記錄的位置，此時再進行寫操作，就可以修改緩沖區中的那兩個數字，結果如下

4.8 clear

重置緩沖區的屬性，但是并不會清慷訓沖區里的資料

將position的位置設為0，mark設定為-1.limit設定為capacity

測驗代碼如下：

執行完clear之后，緩沖區的結果如下：

4.9 rewind

為重新讀取做準備，將position設定為0，limit不變，mark設定為-1

測驗代碼如下：

執行完rewind之后，buffer結果如下：

4.10 remaining

回傳還有多少可讀取的范圍

也就是limit-position

測驗代碼如下：

此時limit等于5 讀取了兩次之后，執行remaining方法，回傳的結果是3，表示剩余可讀取的內容

5. chanel

管道用于連接檔案、網路Socket等，它可同時執行讀取和寫入兩個I/O 操作，固稱雙向管道，它有連接和關閉兩個狀態，在創建管道時處于打開狀態，一但關閉 在呼叫I/O操作就會報ClosedChannelException ，通過管道的isOpen 方法可判斷其是否處于打開狀態，

5.1 FileChannel 檔案管道

固名思議它就是用于操作檔案的，除常規操作外它還支持以下特性：

• 支持對檔案的指定區域進行讀寫

• 堆外記憶體映射，進行大檔案讀寫時，可直接映射到JVM宣告記憶體之外，從面提升讀寫效率，

• 零拷貝技術，通過 transferFrom 或transferTo 直接將資料傳輸到某個通道，極大提高性能，

• 鎖定檔案指定區域，以阻止其它程式員進行訪問

打開FileChannel目前只能通過流進行間打開，如inputStream.getChannel() 和outputStream.getChannel() ,通過輸入流打開的管道只能進行取，而outputStream打開的只能寫，否則會分別拋出NonWritableChannelException與NonReadableChannelException例外，

如果想要管道同時支持讀寫，必須用RandomAccessFile 讀寫模式才可以，

下面的測驗代碼是檔案管道的基本使用

				//1. 打開檔案管道
        FileChannel channel = new RandomAccessFile(file_name,"rw").getChannel();

        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024); // 宣告1024個空間
        // 從檔案中 讀取資料并寫入管道 再寫入緩沖
        channel.read(buffer);
        buffer.flip();//上面學的，寫完之后，需要將position歸0，為了后面的讀取做準備
        byte[] bytes= new byte[buffer.remaining()];
        int i =0;
        while (buffer.hasRemaining()){
            bytes[i++]= buffer.get();
        }
        System.out.println(new String(bytes));

        // 把緩沖區資料寫入到管道
        channel.write(ByteBuffer.wrap("森林大帥哥".getBytes()));
        channel.close();

5.2 DatagramChannel UDP套接字管道

UDP是無連接的協議，DatagramChannel就是為這個協議提供服務，以接收客戶端發來的訊息，

DatagramChannel的基本用法如下：

public void test1() throws IOException {
    DatagramChannel channel=DatagramChannel.open();
    // 系結埠
    channel.bind(new InetSocketAddress(8080));
    ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(8192);

    while (true){
        buffer.clear(); //  清慷訓原
        channel.receive(buffer); // 阻塞
        buffer.flip();
        byte[] bytes=new byte[buffer.remaining()];
        buffer.get(bytes);
        System.out.println(new String(bytes));
    }
}

使用命令nc - uv 127.0.0.1 8080 可以向指定的ip埠號 發送udp

idea控制臺就會輸出如下：

5.3 TCP套接字管道

TCP是一個有連接協議，須建立連接后才能通信，這就需要下面兩個管道：

• **ServerSocketChannel ：**用于與客戶端建立連接

• **SocketChannel ：**用于和客戶端進行訊息讀寫

測驗代碼如下：

@Test
public void test1() throws IOException {
  	// 用于與客戶端建立連接
    ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open();
    channel.bind(new InetSocketAddress(8080));
    while (true) {//回圈接收請求，分配子執行緒去執行請求
      	// 用于和客戶端進行訊息讀寫
        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
        handle(socketChannel);
    }
}


public void handle(final SocketChannel socketChannel) throws IOException {
    // 2.通信
    Thread thread = new Thread(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8192);
            while (true) {
                try {
                    buffer.clear();
                    socketChannel.read(buffer);
                    // 從buffer 當中讀出來
                    buffer.flip();
                    byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
                    buffer.get(bytes);
                    String message = new String(bytes);
                    System.out.println(message);
                    // 寫回去
                    buffer.rewind();
                    socketChannel.write(buffer);
                    if (message.trim().equals("exit")) {
                        break;
                    }
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            try {
                socketChannel.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    });
    thread.start();
}

可通過命令進行測驗TCP服務 telnet 127.0.0.1 8080

控制臺輸出了tcp的訊息，并將訊息寫回了管道，命令列界面也輸出了回傳來的hello結果，

6.后續

下一篇博客，介紹NIO中的另一個重要組件Selector