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Java NIO主要解決了Java IO的效率問題，解決此問題的思路之一是利用硬件和操作系統(tǒng)直接支持的緩沖區(qū)、虛擬內(nèi)存、磁盤控制器直接讀寫等優(yōu)化IO的手段；思路之二是提供新的編程架構(gòu)使得單個(gè)線程可以控制多個(gè)IO，從而節(jié)約線程資源，提高IO性能。
Java IO引入了三個(gè)主要概念，即緩沖區(qū)（Buffer）、通道（Channel）和選擇器（Selector），本文主要介紹緩沖區(qū)。

緩沖區(qū)概念
緩沖區(qū)是對(duì)Java原生數(shù)組的對(duì)象封裝，它除了包含其數(shù)組外，還帶有四個(gè)描述緩沖區(qū)特征的屬性以及一組用來操作緩沖區(qū)的API。緩沖區(qū)的根類是Buffer，其重要的子類包括ByteBuffer、MappedByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer、DoubleBuffer、ShortBuffer、LongBuffer、FloatBuffer。從其名稱可以看出這些類分別對(duì)應(yīng)了存儲(chǔ)不同類型數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。

1.1四個(gè)屬性
緩沖區(qū)由四個(gè)屬性指明其狀態(tài)。
容量（Capacity）：緩沖區(qū)能夠容納的數(shù)據(jù)元素的最大數(shù)量。初始設(shè)定后不能更改。
上界（Limit）：緩沖區(qū)中第一個(gè)不能被讀或者寫的元素位置?；蛘哒f，緩沖區(qū)內(nèi)現(xiàn)存元素的上界。
位置（Position）：緩沖區(qū)內(nèi)下一個(gè)將要被讀或?qū)懙脑匚恢?。在進(jìn)行讀寫緩沖區(qū)時(shí)，位置會(huì)自動(dòng)更新。
標(biāo)記（Mark）：一個(gè)備忘位置。初始時(shí)為“未定義”，調(diào)用mark時(shí)mark=positon，調(diào)用reset時(shí)position=mark。
這四個(gè)屬性總是滿足如下關(guān)系：

mark<=position<=limit<=capacity

如果我們創(chuàng)建一個(gè)新的容量大小為10的ByteBuffer對(duì)象如下圖所示：

image.png

在初始化的時(shí)候，position設(shè)置為0，limit和 capacity被設(shè)置為10，在以后使用ByteBuffer對(duì)象過程中，capacity的值不會(huì)再發(fā)生變化，而其它兩個(gè)個(gè)將會(huì)隨著使用而變化。三個(gè)屬性值分別如圖所示：

image.png

現(xiàn)在我們可以從通道中讀取一些數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)中，注意從通道讀取數(shù)據(jù)，相當(dāng)于往緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)。如果讀取4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，則此時(shí)position的值為4，即下一個(gè)將要被寫入的字節(jié)索引為4，而limit仍然是10，如下圖所示：

image.png

下一步把讀取的數(shù)據(jù)寫入到輸出通道中，相當(dāng)于從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，在此之前，必須調(diào)用flip()方法，該方法將會(huì)完成兩件事情：

把limit設(shè)置為當(dāng)前的position值
把position設(shè)置為0
由于position被設(shè)置為0，所以可以保證在下一步輸出時(shí)讀取到的是緩沖區(qū)中的第一個(gè)字節(jié)，而limit被設(shè)置為當(dāng)前的position，可以保證讀取的數(shù)據(jù)正好是之前寫入到緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，如下圖所示：

image.png

現(xiàn)在調(diào)用get()方法從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)寫入到輸出通道，這會(huì)導(dǎo)致position的增加而limit保持不變，但position不會(huì)超過limit的值，所以在讀取我們之前寫入到緩沖區(qū)中的4個(gè)自己之后，position和limit的值都為4，如下圖所示：

image.png

在從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)完畢后，limit的值仍然保持在我們調(diào)用flip()方法時(shí)的值，調(diào)用clear()方法能夠把所有的狀態(tài)變化設(shè)置為初始化時(shí)的值，如下圖所示：

image.png

下面這個(gè)例子可以展示buffer的讀寫：

public class NioTest1 {

    public static void main(String[] args) {
        //通過nio生成隨機(jī)數(shù)，然后在打印出來

        IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(10);
        System.out.println("capacity："+buffer.capacity());
        for (int i = 0;i < 5;i++){
            int randomNumber = new SecureRandom().nextInt(20);
            //這里相當(dāng)于把數(shù)據(jù)寫到buffer中
            buffer.put(randomNumber);
        }

        System.out.println("before flip limit："+buffer.capacity());

        //上面是寫，下面為讀，通過flip()方法進(jìn)行讀寫的切換
        buffer.flip();

        System.out.println("after flip limit："+buffer.capacity());

        System.out.println("enter while loop");

        while(buffer.hasRemaining()){
            System.out.println("position：" + buffer.position());
            System.out.println("limit：" + buffer.limit());
            System.out.println("capacity：" + buffer.capacity());

            //這里相當(dāng)于從buffer中讀出數(shù)據(jù)
            System.out.println(buffer.get());
        }

    }

1.3 remaining和hasRemaining
remaining()會(huì)返回緩沖區(qū)中目前存儲(chǔ)的元素個(gè)數(shù)，在使用參數(shù)為數(shù)組的get方法中，提前知道緩沖區(qū)存儲(chǔ)的元素個(gè)數(shù)是非常有用的。
事實(shí)上，由于緩沖區(qū)的讀或者寫模式并不清晰，因此實(shí)際上remaining()返回的僅僅是limit – position的值。
而hasRemaining()的含義是查詢緩沖區(qū)中是否還有元素，這個(gè)方法的好處是它是線程安全的。

1.4 Flip翻轉(zhuǎn)
在從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，get方法會(huì)從position的位置開始，依次讀取數(shù)據(jù)，每次讀取后position會(huì)自動(dòng)加1，直至position到達(dá)limit處為止。因此，在寫入數(shù)據(jù)后，開始讀數(shù)據(jù)前，需要設(shè)置position和limit的值，以便get方法能夠正確讀入前面寫入的元素。
這個(gè)設(shè)置應(yīng)該是讓limit=position，然后position=0，為了方便，Buffer類提供了一個(gè)方法flip()，來完成這個(gè)設(shè)置。其代碼如下：

/**
     * 測(cè)試flip操作，flip就是從寫入轉(zhuǎn)為讀出前的一個(gè)設(shè)置buffer屬性的操作，其意義是將limit=position，position=0
     */
    private static void testFlip() {
       CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(10);
       buffer.put("abc");
       buffer.flip();
       char[] chars = new char[buffer.remaining()];
       buffer.get(chars);
       System.out.println(chars);

        //以下操作與flip等同
       buffer.clear();
       buffer.put("abc");
       buffer.limit(buffer.position());
       buffer.position(0);
       chars = new char[buffer.remaining()];
       buffer.get(chars);
        System.out.println(chars);
}

1.5compact壓縮
壓縮compact()方法是為了將讀取了一部分的buffer，其剩下的部分整體挪動(dòng)到buffer的頭部（即從0開始的一段位置），便于后續(xù)的寫入或者讀取。其含義為limit=limit-position，position=0，測(cè)試代碼如下：

 private static void testCompact() {
       CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(10);
       buffer.put("abcde");
       buffer.flip();
        //先讀取兩個(gè)字符
       buffer.get();
       buffer.get();
       showBuffer(buffer);
        //壓縮
       buffer.compact();
        //繼續(xù)寫入
       buffer.put("fghi");
       buffer.flip();
        showBuffer(buffer);
        //從頭讀取后續(xù)的字符
       char[] chars = new char[buffer.remaining()];
       buffer.get(chars);
       System.out.println(chars);
}

1.6duplicate復(fù)制
復(fù)制緩沖區(qū)，兩個(gè)緩沖區(qū)對(duì)象實(shí)際上指向了同一個(gè)內(nèi)部數(shù)組，但分別管理各自的屬性。

    private static void testDuplicate() {
        CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(10);
       buffer.put("abcde");
       CharBuffer buffer1 = buffer.duplicate();
       buffer1.clear();
       buffer1.put("alex");
       showBuffer(buffer);
       showBuffer(buffer1);
}

1.7 slice緩沖區(qū)切片

緩沖區(qū)切片，將一個(gè)大緩沖區(qū)的一部分切出來，作為一個(gè)單獨(dú)的緩沖區(qū)，但是它們公用同一個(gè)內(nèi)部數(shù)組。切片從原緩沖區(qū)的position位置開始，至limit為止。原緩沖區(qū)和切片各自擁有自己的屬性，測(cè)試代碼如下：

  /**
 * slice Buffer 和原有Buffer共享相同的底層數(shù)組
 */
public class NioTest6 {

    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        for (int i=0;i<buffer.capacity();i++){
            buffer.put((byte)i);
        }
        buffer.position(2);
        buffer.limit(6);

        ByteBuffer sliceBuffer = buffer.slice();
        for (int i=0;i < sliceBuffer.capacity();i++){
            byte b = sliceBuffer.get(i);
            b *= 2;
            sliceBuffer.put(i,b);
        }

        buffer.position(0);
        buffer.limit(buffer.capacity());

        while(buffer.hasRemaining()){
            System.out.println(buffer.get());
        }
    }
}

1.8只讀Buffer
我們可以隨時(shí)將一個(gè)普通Buffer調(diào)用asReadOnlyBuffer方法返回一個(gè)只讀Buffer，但不能將一個(gè)只讀Buffer轉(zhuǎn)換成讀寫B(tài)uffer

public class NioTest7 {

    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        System.out.println(buffer.getClass());
        for (int i=0;i<buffer.capacity();i++){
            buffer.put((byte)i);
        }

        ByteBuffer readOnlyBuffer = buffer.asReadOnlyBuffer();
        System.out.println(readOnlyBuffer.getClass());

        //只讀buffer，不可以寫
//        readOnlyBuffer.position(0);
//        readOnlyBuffer.put((byte)2);
    }
}

字節(jié)緩沖區(qū)
為了便于示例，前面的例子都使用了CharBuffer緩沖區(qū)，但實(shí)際上應(yīng)用最廣，使用頻率最高，也是最重要的緩沖區(qū)是字節(jié)緩沖區(qū)ByteBuffer。因?yàn)锽yteBuffer中直接存儲(chǔ)字節(jié)，所以在不同的操作系統(tǒng)、硬件平臺(tái)、文件系統(tǒng)和JDK之間傳遞數(shù)據(jù)時(shí)不涉及編碼、解碼和亂碼問題，也不涉及Big-Endian和Little-Endian大小端問題，所以它是使用最為便利的一種緩沖區(qū)。

2.1視圖緩沖區(qū)
ByteBuffer中存儲(chǔ)的是字節(jié)，有時(shí)為了方便，可以使用asCharBuffer()等方法將ByteBuffer轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)某基本類型的視圖，例如CharBuffer、IntBuffer、DoubleBuffer、ShortBuffer、LongBuffer和FloatBuffer。
如此轉(zhuǎn)換后，這兩個(gè)緩沖區(qū)共享同一個(gè)內(nèi)部數(shù)組，但是對(duì)數(shù)組內(nèi)元素的視角不同。以CharBuffer和ByteBuffer為例，ByteBuffer將其視為一個(gè)個(gè)的字節(jié)（1個(gè)字節(jié)），而CharBuffer則將其視為一個(gè)個(gè)的字符（2個(gè)字節(jié)）。若此ByteBuffer的capacity為12，則對(duì)應(yīng)的CharBuffer的capacity為12/2=6。與duplicate創(chuàng)建的復(fù)制緩沖區(qū)類似，該CharBuffer和ByteBuffer也各自管理自己的緩沖區(qū)屬性。
還有一點(diǎn)需要注意的是，在創(chuàng)建視圖緩沖區(qū)的時(shí)候ByteBuffer的position屬性的取值很重要，視圖會(huì)以當(dāng)前position的值為開頭，以limit為結(jié)尾。例子如下：

private static void testElementView() {
    ByteBuffer buffer =ByteBuffer.allocate(12);
    //存入四個(gè)字節(jié),0x00000042
    buffer.put((byte) 0x00).put((byte)0x00).put((byte) 0x00).put((byte) 0x42);
    buffer.position(0);
    //轉(zhuǎn)換為IntBuffer，并取出一個(gè)int（四個(gè)字節(jié)）
    IntBuffer intBuffer =buffer.asIntBuffer();
    int i =intBuffer.get();
   System.out.println(Integer.toHexString(i));
}

不同元素需要的字節(jié)數(shù)不同：char為2字節(jié)，short為2字節(jié)，int為4字節(jié)，float為4字節(jié)，long為8字節(jié)，double也是8字節(jié)。

2.2存取數(shù)據(jù)元素
也可以不通過視圖緩沖區(qū)，直接向ByteBuffer中存入和取出不同類型的元素，其方法名為putChar()或者getChar()之類。例子如下：

private static void testPutAndGetElement() {
    ByteBuffer buffer =ByteBuffer.allocate(12);
    //直接存入一個(gè)int
    buffer.putInt(0x1234abcd);
    //以byte分別取出
    buffer.position(0);
    byte b1 = buffer.get();
    byte b2 = buffer.get();
    byte b3 = buffer.get();
    byte b4 = buffer.get();
   System.out.println(Integer.toHexString(b1&0xff));
   System.out.println(Integer.toHexString(b2&0xff));
   System.out.println(Integer.toHexString(b3&0xff));
   System.out.println(Integer.toHexString(b4&0xff));
}

2.3 字節(jié)序

終于又要講到字節(jié)序了，詳細(xì)參見https://zhuanlan.zhihu.com/p/25435644。

簡(jiǎn)單說來，當(dāng)某個(gè)元素（char、int、double）的長(zhǎng)度超過了1個(gè)字節(jié)時(shí)，則由于種種歷史原因，它在內(nèi)存中的存儲(chǔ)方式有兩種，一種是Big-Endian，一種是Little-Endian。
Big-Endian就是高位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，低位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。簡(jiǎn)單來說，就是我們?nèi)祟愂煜さ拇娣欧绞健?br> Little-Endian就是低位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端，高位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。
Java默認(rèn)是使用Big-Endian的，因此上面的代碼都是以這種方式來存放元素的。但是，其他的一些硬件（CPU）、操作系統(tǒng)或者語言可能是以Little-Endian的方式來存儲(chǔ)元素的。因此NIO提供了相應(yīng)的API來支持緩沖區(qū)設(shè)置為不同的字節(jié)序，其方法很簡(jiǎn)單，代碼如下：

    privatestatic void testByteOrder() {
        ByteBuffer buffer =ByteBuffer.allocate(12);
        //直接存入一個(gè)int
       buffer.putInt(0x1234abcd);
       buffer.position(0);
        intbig_endian= buffer.getInt();
       System.out.println(Integer.toHexString(big_endian));
       buffer.rewind();
        intlittle_endian=buffer.order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN).getInt();
       System.out.println(Integer.toHexString(little_endian));
    }

輸出為：
1234abcd
cdab3412
使用order方法可以隨時(shí)設(shè)置buffer的字節(jié)序，其參數(shù)取值為ByteOrder.LITTLE_ENDIAN以及ByteOrder.BIG_ENDIAN。

2.4直接緩沖區(qū) DirectByteBuffer
最后一個(gè)需要掌握的概念是直接緩沖區(qū)，它是以創(chuàng)建時(shí)的開銷換取了IO時(shí)的高效率。另外一點(diǎn)是，直接緩沖區(qū)使用的內(nèi)存是直接調(diào)用了操作系統(tǒng)api分配的，繞過了JVM堆棧。
直接緩沖區(qū)通過ByteBuffer.allocateDirect()方法創(chuàng)建，并可以調(diào)用isDirect()來查詢一個(gè)緩沖區(qū)是否為直接緩沖區(qū)。
一般來說，直接緩沖區(qū)是最好的IO選擇。

public class NioTest8 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileInputStream inputStream = new FileInputStream("input2.txt");
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("output2.txt");

        FileChannel inputChannel = inputStream.getChannel();
        FileChannel outputChannel = outputStream.getChannel();

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

        while(true){
            //每一次讀取之前都將buffer狀態(tài)初始化
            buffer.clear();
            int read = inputChannel.read(buffer);

            System.out.println("read：" + read);

            if(-1 == read){
                break;
            }
            buffer.flip();
            outputChannel.write(buffer);
        }

        inputChannel.close();
        outputChannel.close();
    }
}

2.5、MappedByteBuffer 內(nèi)存映射文件
文件的內(nèi)容直接映射到內(nèi)存里面，在內(nèi)存中任何的信息修改，最終都會(huì)被寫入到磁盤文件中，即MappedByteBuffer是一種允許java程序直接從內(nèi)存訪問的特殊的文件，可以將整個(gè)文件或整個(gè)文件的一部分映射到內(nèi)存中，由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將頁面請(qǐng)求的內(nèi)存數(shù)據(jù)修改寫入到文件中。應(yīng)用程序只需要處理內(nèi)存的數(shù)據(jù)，這樣可以實(shí)現(xiàn)迅速的IO操作，用于內(nèi)存映射文件的這個(gè)內(nèi)存是堆外內(nèi)存

public class NioTest9 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("NioTest9.txt","rw");
        FileChannel fileChannel = randomAccessFile.getChannel();

        MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 6);

        mappedByteBuffer.put(0, (byte) 'a');
        mappedByteBuffer.put(4, (byte) 'b');

        randomAccessFile.close();
    }
}

小結(jié)
與Stream相比，Buffer引入了更多的概念和復(fù)雜性，這一切的努力都是為了實(shí)現(xiàn)NIO的經(jīng)典編程模式，即用一個(gè)線程來控制多路IO，從而極大的提高服務(wù)器端IO效率。Buffer、Channel和Selector共同實(shí)現(xiàn)了NIO的編程模式，其中Buffer也可以被獨(dú)立的使用，用來完成緩沖區(qū)的功能。

參考：
Java NIO編程實(shí)例之一Buffer

Java NIO通俗編程之緩沖區(qū)內(nèi)部細(xì)節(jié)狀態(tài)變量position,limit,capacity(二)

Java NIO：Buffer、Channel 和 Selector

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Java NIO之Buffer（緩沖區(qū)）

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