628 lines
21 KiB
Java
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21 KiB
Java
<!-- GFM-TOC -->
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* [一、概览](#一概览)
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* [二、磁盘操作](#二磁盘操作)
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* [三、字节操作](#三字节操作)
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* [实现文件复制](#实现文件复制)
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* [装饰者模式](#装饰者模式)
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* [四、字符操作](#四字符操作)
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* [编码与解码](#编码与解码)
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* [String 的编码方式](#string-的编码方式)
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* [Reader 与 Writer](#reader-与-writer)
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* [实现逐行输出文本文件的内容](#实现逐行输出文本文件的内容)
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* [五、对象操作](#五对象操作)
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* [序列化](#序列化)
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* [Serializable](#serializable)
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* [transient](#transient)
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* [六、网络操作](#六网络操作)
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* [InetAddress](#inetaddress)
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* [URL](#url)
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* [Sockets](#sockets)
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* [Datagram](#datagram)
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* [七、NIO](#七nio)
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* [流与块](#流与块)
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* [通道与缓冲区](#通道与缓冲区)
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* [缓冲区状态变量](#缓冲区状态变量)
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* [文件 NIO 实例](#文件-nio-实例)
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* [选择器](#选择器)
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* [套接字 NIO 实例](#套接字-nio-实例)
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* [内存映射文件](#内存映射文件)
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* [对比](#对比)
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* [八、参考资料](#八参考资料)
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<!-- GFM-TOC -->
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# 一、概览
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Java 的 I/O 大概可以分成以下几类：
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- 磁盘操作：File
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- 字节操作：InputStream 和 OutputStream
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- 字符操作：Reader 和 Writer
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- 对象操作：Serializable
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- 网络操作：Socket
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- 新的输入/输出：NIO
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# 二、磁盘操作
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File 类可以用于表示文件和目录的信息，但是它不表示文件的内容。
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递归地列出一个目录下所有文件：
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```java
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public static void listAllFiles(File dir) {
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if (dir == null || !dir.exists()) {
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return;
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}
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if (dir.isFile()) {
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System.out.println(dir.getName());
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return;
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}
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for (File file : dir.listFiles()) {
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listAllFiles(file);
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}
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}
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```
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从 Java7 开始，可以使用 Paths 和 Files 代替 File。
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# 三、字节操作
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## 实现文件复制
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```java
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public static void copyFile(String src, String dist) throws IOException {
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FileInputStream in = new FileInputStream(src);
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FileOutputStream out = new FileOutputStream(dist);
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byte[] buffer = new byte[20 * 1024];
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int cnt;
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// read() 最多读取 buffer.length 个字节
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// 返回的是实际读取的个数
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// 返回 -1 的时候表示读到 eof，即文件尾
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while ((cnt = in.read(buffer, 0, buffer.length)) != -1) {
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out.write(buffer, 0, cnt);
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}
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in.close();
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out.close();
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}
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```
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## 装饰者模式
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Java I/O 使用了装饰者模式来实现。以 InputStream 为例，
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- InputStream 是抽象组件；
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- FileInputStream 是 InputStream 的子类，属于具体组件，提供了字节流的输入操作；
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- FilterInputStream 属于抽象装饰者，装饰者用于装饰组件，为组件提供额外的功能。例如 BufferedInputStream 为 FileInputStream 提供缓存的功能。
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<div align="center"> <img src="pics/9709694b-db05-4cce-8d2f-1c8b09f4d921.png" width="650px"> </div><br>
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实例化一个具有缓存功能的字节流对象时，只需要在 FileInputStream 对象上再套一层 BufferedInputStream 对象即可。
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```java
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FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(filePath);
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BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(fileInputStream);
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```
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DataInputStream 装饰者提供了对更多数据类型进行输入的操作，比如 int、double 等基本类型。
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# 四、字符操作
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## 编码与解码
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编码就是把字符转换为字节，而解码是把字节重新组合成字符。
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如果编码和解码过程使用不同的编码方式那么就出现了乱码。
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- GBK 编码中，中文字符占 2 个字节，英文字符占 1 个字节；
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- UTF-8 编码中，中文字符占 3 个字节，英文字符占 1 个字节；
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- UTF-16be 编码中，中文字符和英文字符都占 2 个字节。
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UTF-16be 中的 be 指的是 Big Endian，也就是大端。相应地也有 UTF-16le，le 指的是 Little Endian，也就是小端。
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Java 的内存编码使用双字节编码 UTF-16be，这不是指 Java 只支持这一种编码方式，而是说 char 这种类型使用 UTF-16be 进行编码。char 类型占 16 位，也就是两个字节，Java 使用这种双字节编码是为了让一个中文或者一个英文都能使用一个 char 来存储。
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## String 的编码方式
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String 可以看成一个字符序列，可以指定一个编码方式将它编码为字节序列，也可以指定一个编码方式将一个字节序列解码为 String。
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```java
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String str1 = "中文";
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byte[] bytes = str1.getBytes("UTF-8");
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String str2 = new String(bytes, "UTF-8");
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System.out.println(str2);
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```
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在调用无参数 getBytes() 方法时，默认的编码方式不是 UTF-16be。双字节编码的好处是可以使用一个 char 存储中文和英文，而将 String 转为 bytes[] 字节数组就不再需要这个好处，因此也就不再需要双字节编码。getBytes() 的默认编码方式与平台有关，一般为 UTF-8。
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```java
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byte[] bytes = str1.getBytes();
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```
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## Reader 与 Writer
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不管是磁盘还是网络传输，最小的存储单元都是字节，而不是字符。但是在程序中操作的通常是字符形式的数据，因此需要提供对字符进行操作的方法。
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- InputStreamReader 实现从字节流解码成字符流；
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- OutputStreamWriter 实现字符流编码成为字节流。
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## 实现逐行输出文本文件的内容
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```java
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public static void readFileContent(String filePath) throws IOException {
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FileReader fileReader = new FileReader(filePath);
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BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(fileReader);
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String line;
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while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) {
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System.out.println(line);
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}
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// 装饰者模式使得 BufferedReader 组合了一个 Reader 对象
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// 在调用 BufferedReader 的 close() 方法时会去调用 Reader 的 close() 方法
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// 因此只要一个 close() 调用即可
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bufferedReader.close();
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}
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```
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# 五、对象操作
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## 序列化
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序列化就是将一个对象转换成字节序列，方便存储和传输。
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- 序列化：ObjectOutputStream.writeObject()
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- 反序列化：ObjectInputStream.readObject()
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不会对静态变量进行序列化，因为序列化只是保存对象的状态，静态变量属于类的状态。
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## Serializable
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序列化的类需要实现 Serializable 接口，它只是一个标准，没有任何方法需要实现，但是如果不去实现它的话而进行序列化，会抛出异常。
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```java
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public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
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A a1 = new A(123, "abc");
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String objectFile = "file/a1";
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ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(objectFile));
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objectOutputStream.writeObject(a1);
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objectOutputStream.close();
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ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream(objectFile));
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A a2 = (A) objectInputStream.readObject();
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objectInputStream.close();
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System.out.println(a2);
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}
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private static class A implements Serializable {
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private int x;
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private String y;
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A(int x, String y) {
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this.x = x;
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this.y = y;
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}
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@Override
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public String toString() {
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return "x = " + x + " " + "y = " + y;
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}
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}
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```
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## transient
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transient 关键字可以使一些属性不会被序列化。
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ArrayList 中存储数据的数组 elementData 是用 transient 修饰的，因为这个数组是动态扩展的，并不是所有的空间都被使用，因此就不需要所有的内容都被序列化。通过重写序列化和反序列化方法，使得可以只序列化数组中有内容的那部分数据。
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```java
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private transient Object[] elementData;
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```
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# 六、网络操作
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Java 中的网络支持：
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- InetAddress：用于表示网络上的硬件资源，即 IP 地址；
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- URL：统一资源定位符；
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- Sockets：使用 TCP 协议实现网络通信；
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- Datagram：使用 UDP 协议实现网络通信。
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## InetAddress
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没有公有的构造函数，只能通过静态方法来创建实例。
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```java
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InetAddress.getByName(String host);
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InetAddress.getByAddress(byte[] address);
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```
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## URL
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可以直接从 URL 中读取字节流数据。
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```java
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public static void main(String[] args) throws IOException {
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URL url = new URL("http://www.baidu.com");
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/* 字节流 */
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InputStream is = url.openStream();
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/* 字符流 */
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InputStreamReader isr = new InputStreamReader(is, "utf-8");
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/* 提供缓存功能 */
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BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
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String line;
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while ((line = br.readLine()) != null) {
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System.out.println(line);
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}
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br.close();
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}
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```
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## Sockets
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- ServerSocket：服务器端类
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- Socket：客户端类
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- 服务器和客户端通过 InputStream 和 OutputStream 进行输入输出。
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<div align="center"> <img src="pics/1e6affc4-18e5-4596-96ef-fb84c63bf88a.png" width="550px"> </div><br>
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## Datagram
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- DatagramSocket：通信类
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- DatagramPacket：数据包类
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# 七、NIO
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新的输入/输出 (NIO) 库是在 JDK 1.4 中引入的，弥补了原来的 I/O 的不足，提供了高速的、面向块的 I/O。
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## 流与块
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I/O 与 NIO 最重要的区别是数据打包和传输的方式，I/O 以流的方式处理数据，而 NIO 以块的方式处理数据。
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面向流的 I/O 一次处理一个字节数据：一个输入流产生一个字节数据，一个输出流消费一个字节数据。为流式数据创建过滤器非常容易，链接几个过滤器，以便每个过滤器只负责复杂处理机制的一部分。不利的一面是，面向流的 I/O 通常相当慢。
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面向块的 I/O 一次处理一个数据块，按块处理数据比按流处理数据要快得多。但是面向块的 I/O 缺少一些面向流的 I/O 所具有的优雅性和简单性。
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I/O 包和 NIO 已经很好地集成了，java.io.\* 已经以 NIO 为基础重新实现了，所以现在它可以利用 NIO 的一些特性。例如，java.io.\* 包中的一些类包含以块的形式读写数据的方法，这使得即使在面向流的系统中，处理速度也会更快。
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## 通道与缓冲区
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### 1. 通道
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通道 Channel 是对原 I/O 包中的流的模拟，可以通过它读取和写入数据。
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通道与流的不同之处在于，流只能在一个方向上移动(一个流必须是 InputStream 或者 OutputStream 的子类)，而通道是双向的，可以用于读、写或者同时用于读写。
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通道包括以下类型：
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- FileChannel：从文件中读写数据；
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- DatagramChannel：通过 UDP 读写网络中数据；
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- SocketChannel：通过 TCP 读写网络中数据；
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- ServerSocketChannel：可以监听新进来的 TCP 连接，对每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel。
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### 2. 缓冲区
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发送给一个通道的所有数据都必须首先放到缓冲区中，同样地，从通道中读取的任何数据都要先读到缓冲区中。也就是说，不会直接对通道进行读写数据，而是要先经过缓冲区。
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缓冲区实质上是一个数组，但它不仅仅是一个数组。缓冲区提供了对数据的结构化访问，而且还可以跟踪系统的读/写进程。
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缓冲区包括以下类型：
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- ByteBuffer
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- CharBuffer
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- ShortBuffer
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- IntBuffer
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- LongBuffer
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- FloatBuffer
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- DoubleBuffer
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## 缓冲区状态变量
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- capacity：最大容量；
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- position：当前已经读写的字节数；
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- limit：还可以读写的字节数。
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状态变量的改变过程举例：
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① 新建一个大小为 8 个字节的缓冲区，此时 position 为 0，而 limit = capacity = 8。capacity 变量不会改变，下面的讨论会忽略它。
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<div align="center"> <img src="pics/1bea398f-17a7-4f67-a90b-9e2d243eaa9a.png"/> </div><br>
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② 从输入通道中读取 5 个字节数据写入缓冲区中，此时 position 为 5，limit 保持不变。
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<div align="center"> <img src="pics/80804f52-8815-4096-b506-48eef3eed5c6.png"/> </div><br>
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③ 在将缓冲区的数据写到输出通道之前，需要先调用 flip() 方法，这个方法将 limit 设置为当前 position，并将 position 设置为 0。
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<div align="center"> <img src="pics/952e06bd-5a65-4cab-82e4-dd1536462f38.png"/> </div><br>
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④ 从缓冲区中取 4 个字节到输出缓冲中，此时 position 设为 4。
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<div align="center"> <img src="pics/b5bdcbe2-b958-4aef-9151-6ad963cb28b4.png"/> </div><br>
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⑤ 最后需要调用 clear() 方法来清空缓冲区，此时 position 和 limit 都被设置为最初位置。
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<div align="center"> <img src="pics/67bf5487-c45d-49b6-b9c0-a058d8c68902.png"/> </div><br>
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## 文件 NIO 实例
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以下展示了使用 NIO 快速复制文件的实例：
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```java
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public static void fastCopy(String src, String dist) throws IOException {
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/* 获得源文件的输入字节流 */
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FileInputStream fin = new FileInputStream(src);
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/* 获取输入字节流的文件通道 */
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FileChannel fcin = fin.getChannel();
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/* 获取目标文件的输出字节流 */
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FileOutputStream fout = new FileOutputStream(dist);
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/* 获取输出字节流的文件通道 */
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FileChannel fcout = fout.getChannel();
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/* 为缓冲区分配 1024 个字节 */
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ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
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while (true) {
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/* 从输入通道中读取数据到缓冲区中 */
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int r = fcin.read(buffer);
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/* read() 返回 -1 表示 EOF */
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if (r == -1) {
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break;
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}
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/* 切换读写 */
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buffer.flip();
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/* 把缓冲区的内容写入输出文件中 */
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fcout.write(buffer);
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/* 清空缓冲区 */
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buffer.clear();
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}
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}
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```
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## 选择器
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NIO 常常被叫做非阻塞 IO，主要是因为 NIO 在网络通信中的非阻塞特性被广泛使用。
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NIO 实现了 IO 多路复用中的 Reactor 模型，一个线程 Thread 使用一个选择器 Selector 通过轮询的方式去监听多个通道 Channel 上的事件，从而让一个线程就可以处理多个事件。
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通过配置监听的通道 Channel 为非阻塞，那么当 Channel 上的 IO 事件还未到达时，就不会进入阻塞状态一直等待，而是继续轮询其它 Channel，找到 IO 事件已经到达的 Channel 执行。
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因为创建和切换线程的开销很大，因此使用一个线程来处理多个事件而不是一个线程处理一个事件，对于 IO 密集型的应用具有很好地性能。
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应该注意的是，只有套接字 Channel 才能配置为非阻塞，而 FileChannel 不能，为 FileChannel 配置非阻塞也没有意义。
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<div align="center"> <img src="pics/093f9e57-429c-413a-83ee-c689ba596cef.png" width="350px"> </div><br>
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||
### 1. 创建选择器
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```java
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||
Selector selector = Selector.open();
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||
```
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### 2. 将通道注册到选择器上
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```java
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ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
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ssChannel.configureBlocking(false);
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||
ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
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||
```
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||
通道必须配置为非阻塞模式，否则使用选择器就没有任何意义了，因为如果通道在某个事件上被阻塞，那么服务器就不能响应其它事件，必须等待这个事件处理完毕才能去处理其它事件，显然这和选择器的作用背道而驰。
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在将通道注册到选择器上时，还需要指定要注册的具体事件，主要有以下几类：
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- SelectionKey.OP_CONNECT
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- SelectionKey.OP_ACCEPT
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- SelectionKey.OP_READ
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- SelectionKey.OP_WRITE
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它们在 SelectionKey 的定义如下：
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```java
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public static final int OP_READ = 1 << 0;
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public static final int OP_WRITE = 1 << 2;
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public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;
|
||
public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;
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||
```
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||
可以看出每个事件可以被当成一个位域，从而组成事件集整数。例如：
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```java
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||
int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;
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||
```
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### 3. 监听事件
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||
```java
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||
int num = selector.select();
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||
```
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||
使用 select() 来监听到达的事件，它会一直阻塞直到有至少一个事件到达。
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### 4. 获取到达的事件
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```java
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Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
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||
Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
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while (keyIterator.hasNext()) {
|
||
SelectionKey key = keyIterator.next();
|
||
if (key.isAcceptable()) {
|
||
// ...
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||
} else if (key.isReadable()) {
|
||
// ...
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||
}
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||
keyIterator.remove();
|
||
}
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||
```
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||
### 5. 事件循环
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因为一次 select() 调用不能处理完所有的事件，并且服务器端有可能需要一直监听事件，因此服务器端处理事件的代码一般会放在一个死循环内。
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```java
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while (true) {
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||
int num = selector.select();
|
||
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
|
||
Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
|
||
while (keyIterator.hasNext()) {
|
||
SelectionKey key = keyIterator.next();
|
||
if (key.isAcceptable()) {
|
||
// ...
|
||
} else if (key.isReadable()) {
|
||
// ...
|
||
}
|
||
keyIterator.remove();
|
||
}
|
||
}
|
||
```
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||
## 套接字 NIO 实例
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||
|
||
```java
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||
public class NIOServer {
|
||
|
||
public static void main(String[] args) throws IOException {
|
||
|
||
Selector selector = Selector.open();
|
||
|
||
ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
|
||
ssChannel.configureBlocking(false);
|
||
ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
|
||
|
||
ServerSocket serverSocket = ssChannel.socket();
|
||
InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888);
|
||
serverSocket.bind(address);
|
||
|
||
while (true) {
|
||
|
||
selector.select();
|
||
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
|
||
Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
|
||
|
||
while (keyIterator.hasNext()) {
|
||
|
||
SelectionKey key = keyIterator.next();
|
||
|
||
if (key.isAcceptable()) {
|
||
|
||
ServerSocketChannel ssChannel1 = (ServerSocketChannel) key.channel();
|
||
|
||
// 服务器会为每个新连接创建一个 SocketChannel
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SocketChannel sChannel = ssChannel1.accept();
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sChannel.configureBlocking(false);
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// 这个新连接主要用于从客户端读取数据
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sChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
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} else if (key.isReadable()) {
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SocketChannel sChannel = (SocketChannel) key.channel();
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System.out.println(readDataFromSocketChannel(sChannel));
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sChannel.close();
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}
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keyIterator.remove();
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}
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}
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}
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private static String readDataFromSocketChannel(SocketChannel sChannel) throws IOException {
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ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
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StringBuilder data = new StringBuilder();
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while (true) {
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buffer.clear();
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int n = sChannel.read(buffer);
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if (n == -1) {
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break;
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}
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buffer.flip();
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int limit = buffer.limit();
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char[] dst = new char[limit];
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for (int i = 0; i < limit; i++) {
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dst[i] = (char) buffer.get(i);
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}
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data.append(dst);
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buffer.clear();
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}
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return data.toString();
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}
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}
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```
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```java
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public class NIOClient {
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public static void main(String[] args) throws IOException {
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Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
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OutputStream out = socket.getOutputStream();
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String s = "hello world";
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out.write(s.getBytes());
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out.close();
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}
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}
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```
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## 内存映射文件
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内存映射文件 I/O 是一种读和写文件数据的方法，它可以比常规的基于流或者基于通道的 I/O 快得多。
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向内存映射文件写入可能是危险的，只是改变数组的单个元素这样的简单操作，就可能会直接修改磁盘上的文件。修改数据与将数据保存到磁盘是没有分开的。
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下面代码行将文件的前 1024 个字节映射到内存中，map() 方法返回一个 MappedByteBuffer，它是 ByteBuffer 的子类。因此，可以像使用其他任何 ByteBuffer 一样使用新映射的缓冲区，操作系统会在需要时负责执行映射。
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```java
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MappedByteBuffer mbb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);
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```
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## 对比
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NIO 与普通 I/O 的区别主要有以下两点：
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- NIO 是非阻塞的；
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- NIO 面向块，I/O 面向流。
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# 八、参考资料
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- Eckel B, 埃克尔, 昊鹏, 等. Java 编程思想 [M]. 机械工业出版社, 2002.
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- [IBM: NIO 入门](https://www.ibm.com/developerworks/cn/education/java/j-nio/j-nio.html)
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- [Java NIO Tutorial](http://tutorials.jenkov.com/java-nio/index.html)
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- [Java NIO 浅析](https://tech.meituan.com/nio.html)
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- [IBM: 深入分析 Java I/O 的工作机制](https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-javaio/index.html)
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- [IBM: 深入分析 Java 中的中文编码问题](https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-chinesecoding/index.html)
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||
- [IBM: Java 序列化的高级认识](https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-serial/index.html)
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||
- [NIO 与传统 IO 的区别](http://blog.csdn.net/shimiso/article/details/24990499)
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- [Decorator Design Pattern](http://stg-tud.github.io/sedc/Lecture/ws13-14/5.3-Decorator.html#mode=document)
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||
- [Socket Multicast](http://labojava.blogspot.com/2012/12/socket-multicast.html)
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