# NIO
## 简介
nio库在jdk 1.4时被引入，和传统i/o不同的是，nio性能高且基于block。在nio中，定义了类来持有数据，并以block为单位对数据进行处理。

### nio和传统io区别
nio和传统io最大的区别是数据打包和传输的方式。在传统io中，会以stream的形式来处理数据；而在nio中，数据则是以block的形式被处理。

面向stream的io系统在同一时刻只能处理1字节的数据，通常较慢。

面向block的io系统则是以block为单位处理数据，处理速度较传统io快。

## Channel/Buffer
channel和buffer是nio中的核心对象，几乎在每个io操作中被使用。

channel类似于传统io中的stream，所有数据的写入或读取都需要通过channel。而buffer本质上则是数据的容器，`所有被发送到channel中的数据都要先被放置到buffer中`，`所有从channel中读取的数据都要先被读取到buffer中`。

### Buffer
Buffer是一个类，用于存储数据，buffer中的数据要么将要被写入到Channel中，要么刚从Channel中读取出来。

> Buffer是nio和传统io的重要区别，在传统io中，数据直接从stream中被读取出来，也被直接写入到stream中。
>
> 在nio中，数据的读取和写入都需要经过Buffer

buffer的本质是一个字节数组，buffer提供了对数据的结构化访问，并且，buffer还追踪了系统的读/写操作。

#### Buffer类型
最常用的Buffer类型是ByteBuffer，其支持对底层的字节数据进行set/get操作，初次之外，Buffer还有其他类型。

- ByteBuffer
- CharBuffer
- ShortBuffer
- IntBuffer
- LongBuffer
- FloatBuffer
- DoubleBuffer

上述的每个Buffer类都实现了Buffer接口，除了ByteBuffer之外，其他每个Buffer类型都拥有相同的操作。由于ByteBuffer被绝大多数标准io操作锁使用，故而ByteBuffer除了拥有上述操作外，还拥有一些额外的操作。

#### Buffer设计
Buffer是存储指定primitive type数据的容器（Long,Byte,Int,Float,Char,Double,Short），buffer是线性并且有序的。

buffer的主要属性包括capacity、limit和position：
- capacity：buffer的capacity是其可以包含的元素数量，capacity不可以为负数并且不可以被改变
- limit：buffer的limit代表buffer中第一个不应该被读/写的元素下表，`（例如buffer的capacity为5，但是其中只包含3个元素，那么limit则为3）`，limit不能为负数，并且limit不可以比capacity大
- position：position代表下一个被读/写元素的下标，position部为负数也不应该比limit大

#### 传输数据
buffer的每个子类都定义了get/put类似的操作，相应的read或write操作会从position转移一个或多个元素的数据，如果请求转移的数据比limit大，那么相应的get操作会抛出`BufferUnderflowException`，set操作则是会抛出`BufferOverflowException`；在上述两种情况下，没有数据会被传输。

#### mark & reset
buffer的mark操作标识对buffer执行reset操作后position会被重置到的位置。mark并非所有情况下都被定义，当mark被定义时，其应该不为负数并且不应该比position大。如果position或limit被调整为比mark更小的值之后，mark值将会被丢弃。如果在mark没有被定义时调用reset操作，那么会抛出`InvalidMarkException`异常。

> #### 属性之间的大小关系
>
> `0<=mark<=position<=limit<=capacity`

#### clear/flip/rewind
除了对buffer定义mark/reset操作之外，buffer还定义了如下操作：
- `clear()`：使buffer可以执行新的sequence channel-read操作或relative put操作
  - clear操作会将limit设置为capacity的值并且将position设置为0
- `flip()`：使buffer可以执行sequence channel-wirte操作和relative get操作：
  - flip操作会将limit设置为position，并且将position设置为0
- `rewind()`：使buffer中的数据可以重新被读取：
  - rewind操作会将position设置为0，limit保持不变

> 在向buffer写入数据之前，应该调用`clear()`方法，将limit设置为capacity并将position设置为0，从而可以向[0, capacity-1]的范围内写入数据
>
> 当写入完成之后，想要从buffer中读取数据时，需要先调用`flip()`方法，将limit设置为position并且将position设置为0，从而可以读取[0, position-1]范围内的数据
>
> 如果想要对buffer中的数据进行重新读取，可以调用`rewind()`方法，其将position设置为0，从而可以对[0, limit-1]范围内的数据重新进行读取。

### Channel
Channel为一个对象，可以从channel中读取数据或向channel写入数据。将传统io和nio相比较，channel类似于stream。

Channel和Stream不同的是，channel为双向的，而Stream则仅支持单项（InputStream或OutputStream）。一个开启的channel可以被用于读取、写入或同时读取或写入。

## Channel读写
向channel读取或写入数据十分简单：
- 读：仅需创建一个buffer对象，并且访问channel将数据读取到buffer对象中
- 写：创建一个buffer对象，并将数据填充到buffer对象，之后访问channel并将bufffer中的数据写入到channel中

### 读取文件
通过nio读取文件分为如下步骤：
1. 从FileInputStream中获取Channel
2. 创建buffer对象
3. 将channel中的数据读取到buffer

示例如下所示：
```java
FileInputStream fin = new FileInputStream( "readandshow.txt" );
// 1. 获取channel
FileChannel fc = fin.getChannel();
// 2. 创建buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 3. 将数据从channel中读取到buffer中
fc.read( buffer );
```

> 如上述示例所示，在从channel读取数据时，无需指定向buffer中读取多少字节的数据，每个buffer内部中都有一个复杂的统计系统，会跟踪已经读取了多少字节的数据、buffer中还有多少空间用于读取更多数据。

### 写入文件
通过nio写入文件步骤和读取类似，示例如下所示：
```java
FileOutputStream fout = new FileOutputStream( "writesomebytes.txt" );
// 1. 获取channel
FileChannel fc = fout.getChannel();
// 2. 创建buffer对象
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate( 1024 );
for (int i = 0; i < message.length; ++i) {
  buffer.put(message[i]);
}

buffer.flip();

// 3. 将buffer中的数据写入到channel中
fc.write(buffer);
```

在向channel写入数据时，同样无需指定需要向channel写入多少字节的数据，buffer内部的统计系统同样会追踪buffer中含有多少字节的数据、还有多少数据待写入。

### 同时读取和写入文件
同时读取和写入文件的示例如下所示：
```java
public class CopyFile {
  static public void main(String args[]) throws Exception {
    if (args.length < 2) {
      System.err.println("Usage: java CopyFile infile outfile");
      System.exit(1);
    }

    String infile = args[0];
    String outfile = args[1];

    try (FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
        FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile)) {

      FileChannel fcin = fin.getChannel();
      FileChannel fcout = fout.getChannel();

      ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

      while (true) {
        buffer.clear();
        int r = fcin.read(buffer);

        if (r == -1) {
          break;
        }

        buffer.flip();
        fcout.write(buffer);
      }
    }
  }
}
```

在上述示例中，通过`channel.read(buffer)`的返回值来判断是否已经读取到文件末尾，如果返回值为-1，那么代表文件读取已经完成。