JDK 1.4以前，Java的IO操作集中在java.io這個包中，是基于流的阻塞（blocking）API。對于大多數應用來說，這樣的API使用很方便，然而，一些對性能要求較高的應用，尤其是服務端應用，往往需要一個更為有效的方式來處理IO。從JDK 1.4起，NIO API作為一個基于緩沖區，并能提供非阻塞(non-blocking)IO操作的API被引入。本文對其進行深入的介紹。
NIO API主要集中在java.nio和它的subpackages中：
java.nio
定義了Buffer及其數據類型相關的子類。其中被java.nio.channels中的類用來進行IO操作的ByteBuffer的作用非常重要。
java.nio.channels
定義了一系列處理IO的Channel接口以及這些接口在文件系統和網絡通訊上的實現。通過Selector這個類，還提供了進行非阻塞IO操作的辦法。這個包可以說是NIO API的核心。
java.nio.channels.spi
定義了可用來實現channel和selector API的抽象類。
java.nio.charset
定義了處理字符編碼和解碼的類。
java.nio.charset.spi
定義了可用來實現charset API的抽象類。
java.nio.channels.spi和java.nio.charset.spi這兩個包主要被用來對現有NIO API進行擴展，在實際的使用中，我們一般只和另外的3個包打交道。下面將對這3個包一一介紹。
Package java.nio
這個包主要定義了Buffer及其子類。Buffer定義了一個線性存放primitive type數據的容器接口。對于除boolean以外的其他primitive type，都有一個相應的Buffer子類，ByteBuffer是其中最重要的一個子類。
下面這張UML類圖描述了java.nio中的類的關系：
Buffer
定義了一個可以線性存放primitive type數據的容器接口。Buffer主要包含了與類型（byte, char…）無關的功能。值得注意的是Buffer及其子類都不是線程安全的。
每個Buffer都有以下的屬性：
capacity
這個Buffer最多能放多少數據。capacity一般在buffer被創建的時候指定。
limit
在Buffer上進行的讀寫操作都不能越過這個下標。當寫數據到buffer中時，limit一般和capacity相等，當讀數據時，limit代表buffer中有效數據的長度。
position
讀/寫操作的當前下標。當使用buffer的相對位置進行讀/寫操作時，讀/寫會從這個下標進行，并在操作完成后，buffer會更新下標的值。
mark
一個臨時存放的位置下標。調用mark()會將mark設為當前的position的值，以后調用reset()會將position屬性設置為mark的值。mark的值總是小于等于position的值，如果將position的值設的比mark小，當前的mark值會被拋棄掉。
這些屬性總是滿足以下條件：
0 <= mark <= position <= limit <= capacity
limit和position的值除了通過limit()和position()函數來設置，也可以通過下面這些函數來改變：
Buffer clear()
把position設為0，把limit設為capacity，一般在把數據寫入Buffer前調用。
Buffer flip()
把limit設為當前position，把position設為0，一般在從Buffer讀出數據前調用。
Buffer rewind()
把position設為0，limit不變，一般在把數據重寫入Buffer前調用。
Buffer對象有可能是只讀的，這時，任何對該對象的寫操作都會觸發一個ReadOnlyBufferException。isReadOnly()方法可以用來判斷一個Buffer是否只讀。
ByteBuffer
在Buffer的子類中，ByteBuffer是一個地位較為特殊的類，因為在java.io.channels中定義的各種channel的IO操作基本上都是圍繞ByteBuffer展開的。
ByteBuffer定義了4個static方法來做創建工作：
ByteBuffer allocate(int capacity)
創建一個指定capacity的ByteBuffer。
ByteBuffer allocateDirect(int capacity)
創建一個direct的ByteBuffer，這樣的ByteBuffer在參與IO操作時性能會更好（很有可能是在底層的實現使用了DMA技術），相應的，創建和回收direct的ByteBuffer的代價也會高一些。isDirect()方法可以檢查一個buffer是否是direct的。
ByteBuffer wrap(byte [] array)
ByteBuffer wrap(byte [] array, int offset, int length)
把一個byte數組或byte數組的一部分包裝成ByteBuffer。
ByteBuffer定義了一系列get和put操作來從中讀寫byte數據，如下面幾個：
byte get()
ByteBuffer get(byte [] dst)
byte get(int index)
ByteBuffer put(byte b)
ByteBuffer put(byte [] src)
ByteBuffer put(int index, byte b)
這些操作可分為絕對定位和相對定為兩種，相對定位的讀寫操作依靠position來定位Buffer中的位置，并在操作完成后會更新position的值。
在其它類型的buffer中，也定義了相同的函數來讀寫數據，唯一不同的就是一些參數和返回值的類型。
除了讀寫byte類型數據的函數，ByteBuffer的一個特別之處是它還定義了讀寫其它primitive數據的方法，如：
int getInt()
從ByteBuffer中讀出一個int值。
ByteBuffer putInt(int value)
寫入一個int值到ByteBuffer中。
讀寫其它類型的數據牽涉到字節序問題，ByteBuffer會按其字節序（大字節序或小字節序）寫入或讀出一個其它類型的數據（int,long…）。字節序可以用order方法來取得和設置：
ByteOrder order()
返回ByteBuffer的字節序。
ByteBuffer order(ByteOrder bo)
設置ByteBuffer的字節序。
ByteBuffer另一個特別的地方是可以在它的基礎上得到其它類型的buffer。如：
CharBuffer asCharBuffer()
為當前的ByteBuffer創建一個CharBuffer的視圖。在該視圖buffer中的讀寫操作會按照ByteBuffer的字節序作用到ByteBuffer中的數據上。
用這類方法創建出來的buffer會從ByteBuffer的position位置開始到limit位置結束，可以看作是這段數據的視圖。視圖buffer的readOnly屬性和direct屬性與ByteBuffer的一致，而且也只有通過這種方法，才可以得到其他數據類型的direct buffer。
ByteOrder
用來表示ByteBuffer字節序的類，可將其看成java中的enum類型。主要定義了下面幾個static方法和屬性：
ByteOrder BIG_ENDIAN
代表大字節序的ByteOrder。
ByteOrder LITTLE_ENDIAN
代表小字節序的ByteOrder。
ByteOrder nativeOrder()
返回當前硬件平臺的字節序。
MappedByteBuffer
ByteBuffer的子類，是文件內容在內存中的映射。這個類的實例需要通過FileChannel的map()方法來創建。
接下來看看一個使用ByteBuffer的例子，這個例子從標準輸入不停地讀入字符，當讀滿一行后，將收集的字符寫到標準輸出：
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public static void main(String [] args)
throws IOException
{
// 創建一個capacity為256的ByteBuffer
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(256);
while (true) {
// 從標準輸入流讀入一個字符
int c = System.in.read();
// 當讀到輸入流結束時，退出循環
if (c == -1)
break;
// 把讀入的字符寫入ByteBuffer中
buf.put((byte) c);
// 當讀完一行時，輸出收集的字符
if (c == '\n') {
// 調用flip()使limit變為當前的position的值,position變為0,
// 為接下來從ByteBuffer讀取做準備
buf.flip();
// 構建一個byte數組
byte [] content = new byte[buf.limit()];
// 從ByteBuffer中讀取數據到byte數組中
buf.get(content);
// 把byte數組的內容寫到標準輸出
System.out.print(new String(content));
// 調用clear()使position變為0,limit變為capacity的值，
// 為接下來寫入數據到ByteBuffer中做準備
buf.clear();
}
}
}
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Package java.nio.channels
這個包定義了Channel的概念，Channel表現了一個可以進行IO操作的通道（比如，通過FileChannel，我們可以對文件進行讀寫操作）。java.nio.channels包含了文件系統和網絡通訊相關的channel類。這個包通過Selector和SelectableChannel這兩個類，還定義了一個進行非阻塞（non-blocking）IO操作的API，這對需要高性能IO的應用非常重要。
下面這張UML類圖描述了java.nio.channels中interface的關系：
Channel
Channel表現了一個可以進行IO操作的通道，該interface定義了以下方法：
boolean isOpen()
該Channel是否是打開的。
void close()
關閉這個Channel，相關的資源會被釋放。
ReadableByteChannel
定義了一個可從中讀取byte數據的channel interface。
int read(ByteBuffer dst)
從channel中讀取byte數據并寫到ByteBuffer中。返回讀取的byte數。
WritableByteChannel
定義了一個可向其寫byte數據的channel interface。
int write(ByteBuffer src)
從ByteBuffer中讀取byte數據并寫到channel中。返回寫出的byte數。
ByteChannel
ByteChannel并沒有定義新的方法，它的作用只是把ReadableByteChannel和WritableByteChannel合并在一起。
ScatteringByteChannel
繼承了ReadableByteChannel并提供了同時往幾個ByteBuffer中寫數據的能力。
GatheringByteChannel
繼承了WritableByteChannel并提供了同時從幾個ByteBuffer中讀數據的能力。
InterruptibleChannel
用來表現一個可以被異步關閉的Channel。這表現在兩方面：
1． 當一個InterruptibleChannel的close()方法被調用時，其它block在這個InterruptibleChannel的IO操作上的線程會接收到一個AsynchronousCloseException。
2． 當一個線程block在InterruptibleChannel的IO操作上時，另一個線程調用該線程的interrupt()方法會導致channel被關閉，該線程收到一個ClosedByInterruptException，同時線程的interrupt狀態會被設置。
接下來的這張UML類圖描述了java.nio.channels中類的關系：
非阻塞IO
非阻塞IO的支持可以算是NIO API中最重要的功能，非阻塞IO允許應用程序同時監控多個channel以提高性能，這一功能是通過Selector，SelectableChannel和SelectionKey這3個類來實現的。
SelectableChannel代表了可以支持非阻塞IO操作的channel，可以將其注冊在Selector上，這種注冊的關系由SelectionKey這個類來表現（見UML圖）。Selector這個類通過select()函數，給應用程序提供了一個可以同時監控多個IO channel的方法：
應用程序通過調用select()函數，讓Selector監控注冊在其上的多個SelectableChannel，當有channel的IO操作可以進行時，select()方法就會返回以讓應用程序檢查channel的狀態，并作相應的處理。
下面是JDK 1.4中非阻塞IO的一個例子，這段code使用了非阻塞IO實現了一個time server：
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private static void acceptConnections(int port) throws Exception {
// 打開一個Selector
Selector acceptSelector =
SelectorProvider.provider().openSelector();
// 創建一個ServerSocketChannel，這是一個SelectableChannel的子類
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
// 將其設為non-blocking狀態，這樣才能進行非阻塞IO操作
ssc.configureBlocking(false);
// 給ServerSocketChannel對應的socket綁定IP和端口
InetAddress lh = InetAddress.getLocalHost();
InetSocketAddress isa = new InetSocketAddress(lh, port);
ssc.socket().bind(isa);
// 將ServerSocketChannel注冊到Selector上，返回對應的SelectionKey
SelectionKey acceptKey =
ssc.register(acceptSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
int keysAdded = 0;
// 用select()函數來監控注冊在Selector上的SelectableChannel
// 返回值代表了有多少channel可以進行IO操作 (ready for IO)
while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) {
// selectedKeys()返回一個SelectionKey的集合，
// 其中每個SelectionKey代表了一個可以進行IO操作的channel。
// 一個ServerSocketChannel可以進行IO操作意味著有新的TCP連接連入了
Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys();
Iterator i = readyKeys.iterator();
while (i.hasNext()) {
SelectionKey sk = (SelectionKey) i.next();
// 需要將處理過的key從selectedKeys這個集合中刪除
i.remove();
// 從SelectionKey得到對應的channel
ServerSocketChannel nextReady =
(ServerSocketChannel) sk.channel();
// 接受新的TCP連接
Socket s = nextReady.accept().socket();
// 把當前的時間寫到這個新的TCP連接中
PrintWriter out =
new PrintWriter(s.getOutputStream(), true);
Date now = new Date();
out.println(now);
// 關閉連接
out.close();
}
}
}
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這是個純粹用于演示的例子，因為只有一個ServerSocketChannel需要監控，所以其實并不真的需要使用到非阻塞IO。不過正因為它的簡單，可以很容易地看清楚非阻塞IO是如何工作的。
SelectableChannel
這個抽象類是所有支持非阻塞IO操作的channel（如DatagramChannel、SocketChannel）的父類。SelectableChannel可以注冊到一個或多個Selector上以進行非阻塞IO操作。
SelectableChannel可以是blocking和non-blocking模式（所有channel創建的時候都是blocking模式），只有non-blocking的SelectableChannel才可以參與非阻塞IO操作。
SelectableChannel configureBlocking(boolean block)
設置blocking模式。
boolean isBlocking()
返回blocking模式。
通過register()方法，SelectableChannel可以注冊到Selector上。
int validOps()
返回一個bit mask，表示這個channel上支持的IO操作。當前在SelectionKey中，用靜態常量定義了4種IO操作的bit值：OP_ACCEPT，OP_CONNECT，OP_READ和OP_WRITE。
SelectionKey register(Selector sel, int ops)
將當前channel注冊到一個Selector上并返回對應的SelectionKey。在這以后，通過調用Selector的select()函數就可以監控這個channel。ops這個參數是一個bit mask，代表了需要監控的IO操作。
SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)
這個函數和上一個的意義一樣，多出來的att參數會作為attachment被存放在返回的SelectionKey中，這在需要存放一些session state的時候非常有用。
boolean isRegistered()
該channel是否已注冊在一個或多個Selector上。
SelectableChannel還提供了得到對應SelectionKey的方法：
SelectionKey keyFor(Selector sel)
返回該channe在Selector上的注冊關系所對應的SelectionKey。若無注冊關系，返回null。
Selector
Selector可以同時監控多個SelectableChannel的IO狀況，是非阻塞IO的核心。
Selector open()
Selector的一個靜態方法，用于創建實例。
在一個Selector中，有3個SelectionKey的集合：
1． key set代表了所有注冊在這個Selector上的channel，這個集合可以通過keys()方法拿到。
2． Selected-key set代表了所有通過select()方法監測到可以進行IO操作的channel，這個集合可以通過selectedKeys()拿到。
3． Cancelled-key set代表了已經cancel了注冊關系的channel，在下一個select()操作中，這些channel對應的SelectionKey會從key set和cancelled-key set中移走。這個集合無法直接訪問。
以下是select()相關方法的說明：
int select()
監控所有注冊的channel，當其中有注冊的IO操作可以進行時，該函數返回，并將對應的SelectionKey加入selected-key set。
int select(long timeout)
可以設置超時的select()操作。
int selectNow()
進行一個立即返回的select()操作。
Selector wakeup()
使一個還未返回的select()操作立刻返回。
SelectionKey
代表了Selector和SelectableChannel的注冊關系。
Selector定義了4個靜態常量來表示4種IO操作，這些常量可以進行位操作組合成一個bit mask。
int OP_ACCEPT
有新的網絡連接可以accept，ServerSocketChannel支持這一非阻塞IO。
int OP_CONNECT
代表連接已經建立（或出錯），SocketChannel支持這一非阻塞IO。
int OP_READ
int OP_WRITE
代表了讀、寫操作。
以下是其主要方法：
Object attachment()
返回SelectionKey的attachment，attachment可以在注冊channel的時候指定。
Object attach(Object ob)
設置SelectionKey的attachment。
SelectableChannel channel()
返回該SelectionKey對應的channel。
Selector selector()
返回該SelectionKey對應的Selector。
void cancel()
cancel這個SelectionKey所對應的注冊關系。
int interestOps()
返回代表需要Selector監控的IO操作的bit mask。
SelectionKey interestOps(int ops)
設置interestOps。
int readyOps()
返回一個bit mask，代表在相應channel上可以進行的IO操作。
ServerSocketChannel
支持非阻塞操作，對應于java.net.ServerSocket這個類，提供了TCP協議IO接口，支持OP_ACCEPT操作。
ServerSocket socket()
返回對應的ServerSocket對象。
SocketChannel accept()
接受一個連接，返回代表這個連接的SocketChannel對象。
SocketChannel
支持非阻塞操作，對應于java.net.Socket這個類，提供了TCP協議IO接口，支持OP_CONNECT，OP_READ和OP_WRITE操作。這個類還實現了ByteChannel，ScatteringByteChannel和GatheringByteChannel接口。
DatagramChannel和這個類比較相似，其對應于java.net.DatagramSocket，提供了UDP協議IO接口。
Socket socket()
返回對應的Socket對象。
boolean connect(SocketAddress remote)
boolean finishConnect()
connect()進行一個連接操作。如果當前SocketChannel是blocking模式，這個函數會等到連接操作完成或錯誤發生才返回。如果當前SocketChannel是non-blocking模式，函數在連接能立刻被建立時返回true，否則函數返回false，應用程序需要在以后用finishConnect()方法來完成連接操作。
Pipe
包含了一個讀和一個寫的channel(Pipe.SourceChannel和Pipe.SinkChannel)，這對channel可以用于進程中的通訊。
FileChannel
用于對文件的讀、寫、映射、鎖定等操作。和映射操作相關的類有FileChannel.MapMode，和鎖定操作相關的類有FileLock。值得注意的是FileChannel并不支持非阻塞操作。
Channels
這個類提供了一系列static方法來支持stream類和channel類之間的互操作。這些方法可以將channel類包裝為stream類，比如，將ReadableByteChannel包裝為InputStream或Reader；也可以將stream類包裝為channel類，比如，將OutputStream包裝為WritableByteChannel。
Package java.nio.charset
這個包定義了Charset及相應的encoder和decoder。下面這張UML類圖描述了這個包中類的關系，可以將其中Charset，CharsetDecoder和CharsetEncoder理解成一個Abstract Factory模式的實現：
Charset
代表了一個字符集，同時提供了factory method來構建相應的CharsetDecoder和CharsetEncoder。
Charset提供了以下static的方法：
SortedMap availableCharsets()
返回當前系統支持的所有Charset對象，用charset的名字作為set的key。
boolean isSupported(String charsetName)
判斷該名字對應的字符集是否被當前系統支持。
Charset forName(String charsetName)
返回該名字對應的Charset對象。
Charset中比較重要的方法有：
String name()
返回該字符集的規范名。
Set aliases()
返回該字符集的所有別名。
CharsetDecoder newDecoder()
創建一個對應于這個Charset的decoder。
CharsetEncoder newEncoder()
創建一個對應于這個Charset的encoder。
CharsetDecoder
將按某種字符集編碼的字節流解碼為unicode字符數據的引擎。
CharsetDecoder的輸入是ByteBuffer，輸出是CharBuffer。進行decode操作時一般按如下步驟進行：
1． 調用CharsetDecoder的reset()方法。（第一次使用時可不調用）
2． 調用decode()方法0到n次，將endOfInput參數設為false，告訴decoder有可能還有新的數據送入。
3． 調用decode()方法最后一次，將endOfInput參數設為true，告訴decoder所有數據都已經送入。
4． 調用decoder的flush()方法。讓decoder有機會把一些內部狀態寫到輸出的CharBuffer中。
CharsetDecoder reset()
重置decoder，并清除decoder中的一些內部狀態。
CoderResult decode(ByteBuffer in, CharBuffer out, boolean endOfInput)
從ByteBuffer類型的輸入中decode盡可能多的字節，并將結果寫到CharBuffer類型的輸出中。根據decode的結果，可能返回3種CoderResult：CoderResult.UNDERFLOW表示已經沒有輸入可以decode；CoderResult.OVERFLOW表示輸出已滿；其它的CoderResult表示decode過程中有錯誤發生。根據返回的結果，應用程序可以采取相應的措施，比如，增加輸入，清除輸出等等，然后再次調用decode()方法。
CoderResult flush(CharBuffer out)
有些decoder會在decode的過程中保留一些內部狀態，調用這個方法讓這些decoder有機會將這些內部狀態寫到輸出的CharBuffer中。調用成功返回CoderResult.UNDERFLOW。如果輸出的空間不夠，該函數返回CoderResult.OVERFLOW，這時應用程序應該擴大輸出CharBuffer的空間，然后再次調用該方法。
CharBuffer decode(ByteBuffer in)
一個便捷的方法把ByteBuffer中的內容decode到一個新創建的CharBuffer中。在這個方法中包括了前面提到的4個步驟，所以不能和前3個函數一起使用。
decode過程中的錯誤有兩種：malformed-input CoderResult表示輸入中數據有誤；unmappable-character CoderResult表示輸入中有數據無法被解碼成unicode的字符。如何處理decode過程中的錯誤取決于decoder的設置。對于這兩種錯誤，decoder可以通過CodingErrorAction設置成：
1． 忽略錯誤
2． 報告錯誤。（這會導致錯誤發生時，decode()方法返回一個表示該錯誤的CoderResult。）
3． 替換錯誤，用decoder中的替換字串替換掉有錯誤的部分。
CodingErrorAction malformedInputAction()
返回malformed-input的出錯處理。
CharsetDecoder onMalformedInput(CodingErrorAction newAction)
設置malformed-input的出錯處理。
CodingErrorAction unmappableCharacterAction()
返回unmappable-character的出錯處理。
CharsetDecoder onUnmappableCharacter(CodingErrorAction newAction)
設置unmappable-character的出錯處理。
String replacement()
返回decoder的替換字串。
CharsetDecoder replaceWith(String newReplacement)
設置decoder的替換字串。
CharsetEncoder
將unicode字符數據編碼為特定字符集的字節流的引擎。其接口和CharsetDecoder相類似。
CoderResult
描述encode/decode操作結果的類。
CodeResult包含兩個static成員：
CoderResult OVERFLOW
表示輸出已滿
CoderResult UNDERFLOW
表示輸入已無數據可用。
其主要的成員函數有：
boolean isError()
boolean isMalformed()
boolean isUnmappable()
boolean isOverflow()
boolean isUnderflow()
用于判斷該CoderResult描述的錯誤。
int length()
返回錯誤的長度，比如，無法被轉換成unicode的字節長度。
void throwException()
拋出一個和這個CoderResult相對應的exception。
CodingErrorAction
表示encoder/decoder中錯誤處理方法的類。可將其看成一個enum類型。有以下static屬性：
CodingErrorAction IGNORE
忽略錯誤。
CodingErrorAction REPLACE
用替換字串替換有錯誤的部分。
CodingErrorAction REPORT
報告錯誤，對于不同的函數，有可能是返回一個和錯誤有關的CoderResult，也有可能是拋出一個CharacterCodingException。
參考文獻
David Flanagan – Java in a Nutshell
作者：DaiJiaLin
mailto:woodydai@gmail.com
http://blog.csdn.net/DaiJiaLin
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