Java NIO：Buffer、Channel 和 Selector
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本文将介绍 Java NIO 中三大组件 Buffer、Channel、Selector 的使用。
本来要一起介绍非阻塞 IO 和 JDK7 的异步 IO 的，不过因为之前的文章真的太长了，有点影响读者阅读，所以这里将它们放到另一篇文章中进行介绍。
Buffer
一个 Buffer 本质上是内存中的一块，我们可以将数据写入这块内存，之后从这块内存获取数据。
java.nio 定义了以下几个 Buffer 的实现，这个图读者应该也在不少地方见过了吧。
其实核心是*后的 ByteBuffer，前面的一大串类只是包装了一下它而已，我们使用*多的通常也是 ByteBuffer。
我们应该将 Buffer 理解为一个数组，IntBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer 等分别对应 int[]、char[]、double[] 等。
MappedByteBuffer 用于实现内存映射文件，也不是本文关注的重点。
我觉得操作 Buffer 和操作数组、类集差不多，只不过大部分时候我们都把它放到了 NIO 的场景里面来使用而已。下面介绍 Buffer 中的几个重要属性和几个重要方法。
position、limit、capacity
就像数组有数组容量，每次访问元素要指定下标，Buffer 中也有几个重要属性：position、limit、capacity。
*好理解的当然是 capacity，它代表这个缓冲区的容量，一旦设定就不可以更改。比如 capacity 为 1024 的 IntBuffer，代表其一次可以存放 1024 个 int 类型的值。一旦 Buffer 的容量达到 capacity，需要清空 Buffer，才能重新写入值。
position 和 limit 是变化的，我们分别看下读和写操作下，它们是如何变化的。
position 的初始值是 0，每往 Buffer 中写入一个值，position 就自动加 1，代表下一次的写入位置。读操作的时候也是类似的，每读一个值，position 就自动加 1。
从写操作模式到读操作模式切换的时候（flip），position 都会归零，这样就可以从头开始读写了。
Limit：写操作模式下，limit 代表的是*大能写入的数据，这个时候 limit 等于 capacity。写结束后，切换到读模式，此时的 limit 等于 Buffer 中实际的数据大小，因为 Buffer 不一定被写满了。
初始化 Buffer
每个 Buffer 实现类都提供了一个静态方法 allocate(int capacity) 帮助我们快速实例化一个 Buffer。如：
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ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
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另外，我们经常使用 wrap 方法来初始化一个 Buffer。
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public static ByteBuffer wrap(byte[] array) {
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填充 Buffer
各个 Buffer 类都提供了一些 put 方法用于将数据填充到 Buffer 中，如 ByteBuffer 中的几个 put 方法：
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// 填充一个 byte 值
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上述这些方法需要自己控制 Buffer 大小，不能超过 capacity，超过会抛 java.nio.BufferOverflowException 异常。
对于 Buffer 来说，另一个常见的操作中就是，我们要将来自 Channel 的数据填充到 Buffer 中，在系统层面上，这个操作我们称为读操作，因为数据是从外部（文件或网络等）读到内存中。
| 1 | int num = channel.read(buf); |
上述方法会返回从 Channel 中读入到 Buffer 的数据大小。
提取 Buffer 中的值
前面介绍了写操作，每写入一个值，position 的值都需要加 1，所以 position *后会指向*后一次写入的位置的后面一个，如果 Buffer 写满了，那么 position 等于 capacity（position 从 0 开始）。
如果要读 Buffer 中的值，需要切换模式，从写入模式切换到读出模式。注意，通常在说 NIO 的读操作的时候，我们说的是从 Channel 中读数据到 Buffer 中，对应的是对 Buffer 的写入操作，初学者需要理清楚这个。
调用 Buffer 的 flip() 方法，可以进行模式切换。其实这个方法也就是设置了一下 position 和 limit 值罢了。
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public final Buffer flip() {
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对应写入操作的一系列 put 方法，读操作提供了一系列的 get 方法：
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// 根据 position 来获取数据
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附一个经常使用的方法：
| 1 | new String(buffer.array()).trim(); |
当然了，除了将数据从 Buffer 取出来使用，更常见的操作是将我们写入的数据传输到 Channel 中，如通过 FileChannel 将数据写入到文件中，通过 SocketChannel 将数据写入网络发送到远程机器等。对应的，这种操作，我们称之为写操作。
| 1 | int num = channel.write(buf); |
mark() & reset()
除了 position、limit、capacity 这三个基本的属性外，还有一个常用的属性就是 mark。
mark 用于临时保存 position 的值，每次调用 mark() 方法都会将 mark 设值为当前的 position，便于后续需要的时候使用。
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public final Buffer mark() {
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那到底什么时候用呢？考虑以下场景，我们在 position 为 5 的时候，先 mark() 一下，然后继续往下读，读到第 10 的时候，我想重新回到 position 为 5 的地方重新来一遍，那只要调一下 reset() 方法，position 就回到 5 了。
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public final Buffer reset() {
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rewind() & clear() & compact()
rewind()：会重置 position 为 0，通常用于重新从头读写 Buffer。
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public final Buffer rewind() {
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clear()：有点重置 Buffer 的意思，相当于重新实例化了一样。
通常，我们会先填充 Buffer，然后从 Buffer 读取数据，之后我们再重新往里填充新的数据，我们一般在重新填充之前先调用 clear()。
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public final Buffer clear() {
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compact()：和 clear() 一样的是，它们都是在准备往 Buffer 填充新的数据之前调用。
前面说的 clear() 方法会重置几个属性，但是我们要看到，clear() 方法并不会将 Buffer 中的数据清空，只不过后续的写入会覆盖掉原来的数据，也就相当于清空了数据了。
而 compact() 方法有点不一样，调用这个方法以后，会先处理还没有读取的数据，也就是 position 到 limit 之间的数据（还没有读过的数据），先将这些数据移到左边，然后在这个基础上再开始写入。很明显，此时 limit 还是等于 capacity，position 指向原来数据的右边。
Channel
所有的 NIO 操作始于通道，通道是数据来源或数据写入的目的地，主要地，我们将关心 java.nio 包中实现的以下几个 Channel：
- FileChannel：文件通道，用于文件的读和写
- DatagramChannel：用于 UDP 连接的接收和发送
- SocketChannel：把它理解为 TCP 连接通道，简单理解就是 TCP 客户端
- ServerSocketChannel：TCP 对应的服务端，用于监听某个端口进来的请求
这里不是很理解这些也没关系，后面介绍了代码之后就清晰了。还有，我们*应该关注，也是后面将会重点介绍的是 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。
Channel 经常翻译为通道，类似 IO 中的流，用于读取和写入。它与前面介绍的 Buffer 打交道，读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。
至少读者应该记住一点，这两个方法都是 channel 实例的方法。
FileChannel
我想文件操作对于大家来说应该是*熟悉的，不过我们在说 NIO 的时候，其实 FileChannel 并不是关注的重点。而且后面我们说非阻塞的时候会看到，FileChannel 是不支持非阻塞的。
这里算是简单介绍下常用的操作吧，感兴趣的读者瞄一眼就是了。
初始化：
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FileInputStream inputStream = new FileInputStream(new File("/data.txt"));
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当然了，我们也可以从 RandomAccessFile#getChannel 来得到 FileChannel。
读取文件内容：
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ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
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前面我们也说了，所有的 Channel 都是和 Buffer 打交道的。
写入文件内容：
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ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
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SocketChannel
我们前面说了，我们可以将 SocketChannel 理解成一个 TCP 客户端。虽然这么理解有点狭隘，因为我们在介绍 ServerSocketChannel 的时候会看到另一种使用方式。
打开一个 TCP 连接：
| 1 | SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("https://www.javadoop.com", 80)); |
当然了，上面的这行代码等价于下面的两行：
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// 打开一个通道
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SocketChannel 的读写和 FileChannel 没什么区别，就是操作缓冲区。
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// 读取数据
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不要在这里停留太久，先继续往下走。
ServerSocketChannel
之前说 SocketChannel 是 TCP 客户端，这里说的 ServerSocketChannel 就是对应的服务端。
ServerSocketChannel 用于监听机器端口，管理从这个端口进来的 TCP 连接。
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// 实例化
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这里我们可以看到 SocketChannel 的第二个实例化方式
到这里，我们应该能理解 SocketChannel 了，它不仅仅是 TCP 客户端，它代表的是一个网络通道，可读可写。
ServerSocketChannel 不和 Buffer 打交道了，因为它并不实际处理数据，它一旦接收到请求后，实例化 SocketChannel，之后在这个连接通道上的数据传递它就不管了，因为它需要继续监听端口，等待下一个连接。
DatagramChannel
UDP 和 TCP 不一样，DatagramChannel 一个类处理了服务端和客户端。
科普一下，UDP 是面向无连接的，不需要和对方握手，不需要通知对方，就可以直接将数据包投出去，至于能不能送达，它是不知道的
监听端口：
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DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
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发送数据：
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String newData = "New String to write to file..."
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Selector
NIO 三大组件就剩 Selector 了，Selector 建立在非阻塞的基础之上，大家经常听到的 多路复用 在 Java 世界中指的就是它，用于实现一个线程管理多个 Channel。
读者在这一节不能消化 Selector 也没关系，因为后续在介绍非阻塞 IO 的时候还得说到这个，这里先介绍一些基本的接口操作。
- 首先，我们开启一个 Selector。你们爱翻译成选择器也好，多路复用器也好。
| 1 | Selector selector = Selector.open(); |
- 将 Channel 注册到 Selector 上。前面我们说了，Selector 建立在非阻塞模式之上，所以注册到 Selector 的 Channel 必须要支持非阻塞模式，FileChannel 不支持非阻塞，我们这里讨论*常见的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel。
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// 将通道设置为非阻塞模式，因为默认都是阻塞模式的
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register 方法的第二个 int 型参数（使用二进制的标记位）用于表明需要监听哪些感兴趣的事件，共以下四种事件：
- SelectionKey.OP_READ
对应 00000001，通道中有数据可以进行读取
- SelectionKey.OP_WRITE
对应 00000100，可以往通道中写入数据
- SelectionKey.OP_CONNECT
对应 00001000，成功建立 TCP 连接
- SelectionKey.OP_ACCEPT
对应 00010000，接受 TCP 连接
我们可以同时监听一个 Channel 中的发生的多个事件，比如我们要监听 ACCEPT 和 READ 事件，那么指定参数为二进制的 00010001 即十进制数值 17 即可。
注册方法返回值是 SelectionKey 实例，它包含了 Channel 和 Selector 信息，也包括了一个叫做 Interest Set 的信息，即我们设置的我们感兴趣的正在监听的事件集合。
- 调用 select() 方法获取通道信息。用于判断是否有我们感兴趣的事件已经发生了。
Selector 的操作就是以上 3 步，这里来一个简单的示例，大家看一下就好了。之后在介绍非阻塞 IO 的时候，会演示一份可执行的示例代码。
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Selector selector = Selector.open();
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小结
到此为止，介绍了 Buffer、Channel 和 Selector 的常见接口。
Buffer 和数组差不多，它有 position、limit、capacity 几个重要属性。put() 一下数据、flip() 切换到读模式、然后用 get() 获取数据、clear() 一下清空数据、重新回到 put() 写入数据。
Channel 基本上只和 Buffer 打交道，*重要的接口就是 channel.read(buffer) 和 channel.write(buffer)。
Selector 用于实现非阻塞 IO，这里仅仅介绍接口使用。
