Netty原理详解系列(一)---NIO中的Buffer&Chanel

1.概述

在BIO API中是通过InputStream 与outPutStream 两个流进行输入输出。而NIO 使用一个双向通信的管道代替了它俩。管道(Channel)必须依赖缓冲区（Buffer）实现通信。

管道对比流多了一些如：非阻塞、堆外内存映射、零拷贝等特性。

2.缓冲区Buffer定义

管道要依赖于缓冲区，所以先来介绍一下缓冲区的概念和使用。

缓冲区内部维护了一个数组来存储数据，缓存区并不支持存储的任意的数据类型，只能存储一些基本数据类型。

具备读写、清空的功能。不具备线程安全，需要自行的控制线程安全问题。

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3.Buffer内部结构

拿ByteBuffer举例，它是Buffer的一个子类，用于存储Byte类型的数据，其他的缓冲区差不多，只是存储的数据类型不同。

内部维护了一个byte数组，用来存储数据的。

父类Buffer有4个重要的属性：

• capacity

  表示数组的容量大小

• limit

  限制Buffer的可读和可写的范围，默认等于capacity

• position

  当前读写的位置，默认是0，每读取一位或写一位，则+1.

• mark

  做标记，用于reset将position设置到这个位置。默认是-1

4者的位置关系：mark <= position <= limit <= capacity

4.Buffer常用的操作

4.1 allocate

分配缓冲区的存储空间，初始化所有的属性。例如：

得到的结果如下：

4.2 wrap

基于数组包装一个Buffer，position为0，limit为容量值

测试代码如下：

buffer结果如下：

4.3 put

写入缓冲区，测试代码如下：

在put的过程中，会改变position，也就是说每写入一个数字，就会将position+1.当第7次写入的时候，position会超过limit的限制，此时会抛出异常BufferOverflowExeception

4.4 flip

为读取做好准备，在put完之后，执行flip可以重置position，设置成0.

之后的读取操作就从position的位置开始。

测试代码如下：

执行完put 5 之后 buffer的结果如下：

接着执行flip，结果如下：

根据结果就可以看出flip的作用，将position设置成0

并且将limit设置成了原先position的位置，此时的limit就限制了读的范围。

4.5 get

读取缓冲区的内容，每读取一个，position位置后移动一位

测试代码如下：

当读取到第5个的时候，此时的buffer里面的内容如下：

可以发现此时的position已经到了limit的限制边界。如果再次读取就会报错，读取越界异常BufferUnderflowException

4.6 mark

设置标记位，记录下当前的位置

测试代码如下：

执行完mark后，将mark属性设置成position，也就是做了个标记

4.7 reset

reset的作用就是将position的值设置成mark，用于修改缓冲区中的一段数据。或者重复的读取缓冲区中的一段数据。

测试代码如下：

执行完reset之后，buffer结果如下

在记录mark标记后为，读取了两个数字，并将者两个数字修改了。reset之后，position又回到了mark记录的位置。此时再进行写操作，就可以修改缓冲区中的那两个数字。结果如下

4.8 clear

重置缓冲区的属性，但是并不会清空缓冲区里的数据

将position的位置设为0，mark设置为-1.limit设置为capacity

测试代码如下：

执行完clear之后，缓冲区的结果如下：

4.9 rewind

为重新读取做准备。将position设置为0，limit不变。mark设置为-1

测试代码如下：

执行完rewind之后，buffer结果如下：

4.10 remaining

返回还有多少可读取的范围

也就是limit-position

测试代码如下：

此时limit等于5 读取了两次之后，执行remaining方法，返回的结果是3，表示剩余可读取的内容

5. chanel

管道用于连接文件、网络Socket等。它可同时执行读取和写入两个I/O 操作，固称双向管道，它有连接和关闭两个状态，在创建管道时处于打开状态，一但关闭 在调用I/O操作就会报ClosedChannelException 。通过管道的isOpen 方法可判断其是否处于打开状态。

5.1 FileChannel 文件管道

固名思议它就是用于操作文件的，除常规操作外它还支持以下特性：

• 支持对文件的指定区域进行读写

• 堆外内存映射，进行大文件读写时，可直接映射到JVM声明内存之外，从面提升读写效率。

• 零拷贝技术，通过 transferFrom 或transferTo 直接将数据传输到某个通道，极大提高性能。

• 锁定文件指定区域，以阻止其它程序员进行访问

打开FileChannel目前只能通过流进行间打开，如inputStream.getChannel() 和outputStream.getChannel() ,通过输入流打开的管道只能进行取，而outputStream打开的只能写。否则会分别抛出NonWritableChannelException与NonReadableChannelException异常。

如果想要管道同时支持读写，必须用RandomAccessFile 读写模式才可以。

下面的测试代码是文件管道的基本使用

				//1. 打开文件管道
        FileChannel channel = new RandomAccessFile(file_name,"rw").getChannel();

        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024); // 声明1024个空间
        // 从文件中 读取数据并写入管道 再写入缓冲 channel.read(buffer); buffer.flip();//上面学的，写完之后，需要将position归0，为了后面的读取做准备 byte[] bytes= new byte[buffer.remaining()]; int i =0; while (buffer.hasRemaining()){ bytes[i++]= buffer.get(); } System.out.println(new String(bytes)); // 把缓冲区数据写入到管道 channel.write(ByteBuffer.wrap("森林大帅哥".getBytes())); channel.close(); 

5.2 DatagramChannel UDP套接字管道

UDP是无连接的协议，DatagramChannel就是为这个协议提供服务，以接收客户端发来的消息。

DatagramChannel的基本用法如下：

public void test1() throws IOException { DatagramChannel channel=DatagramChannel.open(); // 绑定端口 channel.bind(new InetSocketAddress(8080)); ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(8192); while (true){ buffer.clear(); // 清空还原 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端口号 发送udp

idea控制台就会输出如下：

5.3 TCP套接字管道

TCP是一个有连接协议，须建立连接后才能通信。这就需要下面两个管道：

• **ServerSocketChannel ：**用于与客户端建立连接

• **SocketChannel ：**用于和客户端进行消息读写

测试代码如下：

@Test
public void test1() throws IOException { // 用于与客户端建立连接 ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open(); channel.bind(new InetSocketAddress(8080)); while (true) {//循环接收请求，分配子线程去执行请求 // 用于和客户端进行消息读写 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); // 从buffer 当中读出来 buffer.flip(); byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()]; buffer.get(bytes); String message = new String(bytes); System.out.println(message); // 写回去 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(); } 

可通过命令进行测试TCP服务 telnet 127.0.0.1 8080