摘要：因為所有的數據從最底層講是字節，那么就可以使用字節流這個概念去指代數據動態轉移這個過程。而數據的轉移，就是把一堆字節流從運往。創建內存中的中轉區域，然后將上面的文件的字節流直接接入到這個。然后再從把字節流輸出到對應的。

I/O的很多操作和使用，其實并不是一個非常直觀的概念，特別是打開文件、創建buffer。這對于終端用戶來講是個非常奇葩和奇怪的過程。我只是想要從一個文件里讀取內容，從過程上來講，我只需要知道：

讀取的source文件

寫入的目的地

那我干嘛要去關心神馬打開文件、創建stream和buffer？！

所以，要理解I/O這一套東西以及它所涉及的stream、buffer，你必須先理解計算機的底層是如何工作的。如果沒有這一步的底層基礎理論做支撐，所有的I/O操作將無法變得直觀。

為理解I/O所需要用到的底層知識并不算多，就幾點：

計算機的對數據的操作一定要經過內存。無論你是計算出來的數據、從硬盤中的文件讀取的數據、從網絡中讀取到的數據，都必須要經過內存。source data先到內存，然后內存再到destination。

既然涉及到內存，就存在一個“有限”的問題。所有的程序都是往內存跑，無疑這一個非常寶貴的資源。那么你的“傳輸數據”任務，并沒有那么高的優先級可以任意地去占有這個資源。你有且只能獲取一部分，特別地，還應該是相對較小的一部分區域，來供你做數據傳輸。

所有在計算機中的數據，無論是文字、圖片、聲音都是0、1這樣的bits。所以，最為通用的傳輸數據方式必然是面向字節的，也就是圍繞字節這個概念來做的。

面對以上這些現實，你不得不在programming時考慮上述問題。因為你不是終端用戶只需要一個簡單的接口。你是細節的操作者，必須對以上限制做出具體的可操作性的回應。

因為你只能使用一小部分的內存空間做數據轉移，所以這就必然需要一個buffer的概念去指代內存這部分的小空間。所以你要創建buffer并為它分配大小，然后所有的數據轉移都通過這塊小小的中轉站。（這就像是一個城市的快遞中心，所有全國各地發往這個地區的快件，都必須通過這個中轉站來做統一調配。）這是對計算機的體系架構——所有數據都必須通過內存——所作出的回應。

因為所有的數據從最底層講是字節（bit），那么就可以使用字節流這個概念去指代數據動態轉移這個過程。而數據的轉移，就是把一堆字節流從source運往destination。但由于上面的原因，這個過程無法直接完成，所以你必須把字節流從：source --> buffer --> destination，或者destination --> buffer --> source。

由于傳輸的都是字節流，所以你需要一個工具把這個stream給開墾出來，所以你需要有一個File式的對象，從上面可以取得一個Channel或者Stream，也即是把file轉換為字節流的池子，以便直接把文件的字節流拿給buffer。它們就像是data的礦源，通過buffer這輛采礦的小車，不斷地把礦石（data）從礦源（source）運到外面（destination）。

有了這部分的知識，我們再來看“Java中的NIO是如何讀取文件的”就不會變得怪異了。

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("test.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

//create buffer with capacity of 48 bytes
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.
while (bytesRead != -1) {

  buf.flip();  //make buffer ready for read

  while(buf.hasRemaining()){
      System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time
  }

  buf.clear(); //make buffer ready for writing
  bytesRead = inChannel.read(buf);
}
aFile.close();

讓我們將之前討論的過程復現一遍：

首先創建RandomAccessFile對象，來提供真實文件test.txt在Java中對應的對象（可以理解為一個bean）。這個對象將提供各種服務來配合Java內部各種機制的操作。無疑，提供一個Channel是它的本質工作之一。

創建內存中的中轉區域buffer，然后將上面的文件Channel的字節流直接接入到這個buffer。

然后再從buffer把字節流輸出到System.out.print對應的std io。

接下來可以深入更多的細節。

由于buffer是被重復利用的部分，所以這涉及到清理buffer的概念buf.clear()。那你可能會說，為什么不可以自動地清理buffer？因為這里的buffer是一個底層的基礎服務。對于上層的應用來講，有些場景是需要清理buffer，有些場景是需要復用buffer的內容。你怎么可以一概而論地認為所有應用場景都是只需要消費一次buffer中的數據呢？所以，作為底層設施來講，你必須提供足夠的靈活性，讓developer自己決定是否需要清理buffer。

再來比較奇怪的是flip()這部分，為什么需要對buffer做flip操作呢？這就涉及到內存中buffer的管理問題。

這里的管理方式其實很常見，在內存中，基本上都是以數組的形式提供堆棧結構來管理數據。那么，這就涉及到對這個數組的操作問題。你要有一個表征position的指針來指導數據的寫入方向。

對“寫數據”這個過程來講，數據的position指針是從起始點，index為0的點，逐步增大index來寫數據的。只要一直在做“寫”操作，這個指針就會在buffer中不斷地往index增大的方向移動。

顯然，當你需要讀數據時，你是需要從這個buffer的起始點再開始。所以，你需要一個操作把position指針復位到起始位置，然后從這個地方開始不斷地往下讀。（一個值得思考的問題是：為什么不引入兩個position指針，一個用來讀，一個用來寫。這樣不是就不用把“讀”的position指針復位了嗎？）

如果多走一步，為了驗證flip()是否真的在讓position指針復原，你還可以使用以下代碼：

System.out.println("Read " + bytesRead);

// switch the buffer from writing mode into reading mode
buf.flip();

while (buf.hasRemaining()) {
    System.out.println((char) buf.get());
}

System.out.println("---------------------------");

// reset the pointer back to original point again
buf.flip();

while (buf.hasRemaining()) {
    System.out.println((char) buf.get());
}

可以看到，從buffer中又一次獲取到了同樣的信息。

從這個例子可以看到很多深層次的東西。例如，為什么你必須了解底層的內存運作機制、操作系統的運轉機制？因為這些細節決定了你該以什么樣的方式去設計你的編程模式，也決定了你應該如何去理解編程語言中提供的一些機制，或者為什么一個庫應該會這樣設計。這是一切具體行動的現實。

“具備什么功能”是這底層基礎設施提供的封裝好的API。但你要做的是programming的工作，不得不利用底層的基礎設施去構建新的服務和產品。如果沒辦法理解這些底層機制，你就沒辦法真正地去構建東西。很多的問題，其實可以被繞過又或是不可能被實現，不在于邏輯有問題，而是單純的信息差，你并不知道這個構建出的抽閑概念下面隱藏的真實東西。

如果能夠理解內存的利用方式，那么，“分片、以stack的形式來做操作”的模式將成為你本能的一部分。進而，涉及到的position移動或者flip()的指針回調問題，就會成為你的直觀。

當然，積累這部分的基礎知識是非?？菰锖头ξ兜?。但如同所有的基本功，它們不會在短期內為你提供足夠的回報，但卻會為你將來形成正確的“直覺”和“直觀”做出巨大的貢獻。

任何的抽象概念都具備直觀，只不過這個直觀所依賴的基礎不同。抽象如“概率論基礎”，其“形象”的直觀，其實是數學系本科所學的“經典概率論”，否則你會迷失在“測度論”的細節里。但這個“直觀”對于其它專業的人來講，并不直觀，甚至是異常復雜。而這個就是所謂的牢固的前提基礎知識。進一步，如果你想要學好“概率論基礎”這樣高度抽象的topic，你必須先夯實“經典概率論”這個基礎，必須先建立對它的深刻認知。否則，你對“概率論基礎”的理解根本無從談起。

同樣的，如果你希望理解類似于編程語言中I/O庫的設計、理解各類緩存中間件、消息隊列中間件的設計，你必須要先建立“計算機如何運作”這個前提基礎。只有你熟悉了計算機的運作方式，能夠以計算機底層的習慣去思考問題、處理問題，你才能夠看到各種組件設計的直觀，才會看到各種莫名其妙的“繞路”到底是在解決什么、是為了什么。

所以，這樣一個學習過程是任何抽象技能所避免不了的。你必須通過反復的閱讀和練習來掌握第一層的基礎概念，熟悉到讓這一層的抽象變成你腦海中的一個條件反射式的直觀。再這個新建立的直觀本能基礎上，你才可以去理解更高層次的抽象。