[Java知识库]Java NIO（Channel）

2.1 Channel概述

Channel是一个通道，可以通过它读取和写入数据，它就像水管一样，网络数据通过Channel读取和写入。通道与流的不同之处在于通道是双向的（全双工），流只是在一个方向上移动（一个流必须是InputStream或者OutputStream的子类），而且通道可以用于读、写或者同时用于读写操作。因为Channel是全双工的，所以它可以比流更好地映射底层操作系统的API。

NIO中通过Channel封装了对数据源的操作，通过Channel我们可以操作数据源，但又不必关心数据源的具体物理结构。这个数据源可能是多种的。比如，可以是文件，也可以是网络socket。在大多数应用中，Channel与文件描述符或者socket是一一对应的。Channel用于在字节缓冲区和位于通道另一侧的实体（通常是一个文件或套接字）之间有效地传输数据。

public interface Channel extends Closeable {

    /**
     * Tells whether or not this channel is open.
     *
     * @return <tt>true</tt> if, and only if, this channel is open
     */
    public boolean isOpen();

    /**
     * Closes this channel.
     *
     * <p> After a channel is closed, any further attempt to invoke I/O
     * operations upon it will cause a {@link ClosedChannelException} to be
     * thrown.
     *
     * <p> If this channel is already closed then invoking this method has no
     * effect.
     *
     * <p> This method may be invoked at any time.  If some other thread has
     * already invoked it, however, then another invocation will block until
     * the first invocation is complete, after which it will return without
     * effect. </p>
     *
     * @throws  IOException  If an I/O error occurs
     */
    public void close() throws IOException;

}

与缓冲区不同，通道API主要由接口指定。不同的操作系统上通道实现（Channel Implementation）会有根本性的差异，所以通道API仅仅描述了可以做什么。因此很自然地，通道实现经常使用操作系统的本地代码。通道接口允许您以一种受控且可移植的方式来访问底层的I/O服务。

Channel是一个对象，可以通过它读取和写入数据。拿NIO与原来的I/O做个比较，通道就像是流。所有数据都通过Buffer对象来处理。您永远不会将字节直接写入通道中，相反，您是将数据写入包含一个或多个字节的缓冲区。同样，您不会直接从通道中读取字节，而是将数据从通道读入缓冲区，再从缓冲区获取这个字节。

Java NIO的通道类似流，但又有些不通：

• 既可以从通道中读取数据，也可以写数据到通道。但流的读写通常是单向的。
• 通道可以异步地读写。
• 通道中的数据总是要先读到一个Buffer，或者总是从一个Buffer中写入。

2.2 Channel实现

下面是Java NIO中最重要的Channel实现：

• FileChannel：从文件中读写数据
• DatagramChannel：能通过UDP读写网络中的数据
• SocketChannel：能通过TCP读写网络中的数据
• ServerSocketChannel：可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。

这如你所看到的，这些通道涵盖了UDP和TCP网络IO，以及文件IO。

2.3 FileChannel介绍和示例

FileChannel类可以实现常用的read、write以及scatter/gather操作，同时它也提供了很多专用于文件的新方法。这些方法中的许多都是我们所熟悉的文件操作。

2.3.1 入门用例

读取文件内容

file.txt

this is nio!!!

java代码：

package com.study;

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class FileChannelDemo1 {
    //FileChannel 读取数据到buffer中
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建FileChannel
        RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("/Users/xxx/Desktop/NIO/file.txt", "rw");
        FileChannel channel = aFile.getChannel();
        //创建Buffer
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
        //读取数据到Buffer中
        int bytesRead = channel.read(buf);
        while(bytesRead != -1){
            System.out.println("读取了：" + bytesRead);
            buf.flip();
            while(buf.hasRemaining()){
                System.out.println((char)buf.get());
            }
            buf.clear();
            bytesRead = channel.read(buf);
        }
        aFile.close();
        System.out.println("结束了");
    }
}

控制台输出：

读取了：14
t
h
i
s
 
i
s
 
n
i
o
!
!
!
结束了

Process finished with exit code 0

2.4 FileChannel操作详解

2.4.1 打开FileChannel

在使用FileChannel之前，必须先打开它。但是，我们无法直接打开一个FileChannel，需要通过一个InputStream、OutputStream或RandomAccessFile来获取一个FileChannel实例。下面是通过RandomAccessFile打开FileChannel的示例：

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("/Users/xxx/Desktop/NIO/file.txt", "rw");
FileChannel channel = aFile.getChannel();

2.4.2 从FileChannel读取数据

调用多个read()方法之一从FileChannel中读取数据。如：

//创建Buffer
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
//读取数据到Buffer中
int bytesRead = channel.read(buf);

首先，分配一个Buffer。从FileChannel中读取的数据被读到Buffer中。然后调用FileChannel.read()方法。该方法将数据从FIleChannel读取到Buffer中。read()方法返回int值表示了有多少字节被读到了Buffer中。如果返回-1，表示到了文件末尾。

2.4.3 向FileChannel写数据

使用FileChannel.write()方向向FileChannel写数据，该方法的参数是一个Buffer。如：

package com.study;

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

//FileChannel写操作
public class FileChannelDemo2 {
    //FileChannel 读取数据到buffer中
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建FileChannel
        RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("/Users/liyabin01/Desktop/计算机基础/面试/NIO/file_w.txt", "rw");
        FileChannel channel = aFile.getChannel();
        //创建Buffer
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
        String newData = "data write";

        //写入内容
        buf.put(newData.getBytes());
        buf.flip();

        //FileChannel完成最终实现
        while(buf.hasRemaining()){
            channel.write(buf);
        }
        //关闭
        channel.close();
    }
}

注意FileChannel.write()是在while循环中调用的。因为无法保证write()方法一次能向FileChannel写入多少字节，因此需要重复调用write()方法，直到Buffer中已经没有尚未写入通道的字节。

2.4.4 关闭FileChannel

用完FileChannel后必须将其关闭。

channel.close();

2.4.5 FileChannel的position方法

有时可能需要在FileChannel的某个特定位置进行数据的读/写操作。可以通过调用postion()方法获取FileChannel的当前位置。也可以通过调用position(long pos)方法设置FileChannel的当前位置。

这里有两个例子：

long pos = channel.position();
channel.position(pos + 123);

如果将位置设置在文件结束符之后，然后试图从文件通道中读取数据，读方法将返回-1(文件结束标志)。

如果将位置设置在文件结束符之后，然后向通道中写数据，文件将撑大到当前位置并写入数据。这可能导致『文件空洞』，磁盘上物理文件中写入的数据间有空隙。

2.4.6 FileChannel的size方法

FileChannel实例的size()方法讲返回该实例所关联文件的大小。如：

long fileSize = channel.size();

2.4.7 FileChannel的truncate方法

可以使用FileChannel.truncate()方法截取一个文件。截取文件时，文件将制定长度后面的部分删除。如：

channel.truncate(1024);

这个例子截取文件的前1024个字节。

2.4.8 FileChannel的force方法

FileChannel.force()方法将通道里尚未写入磁盘的数据强制写到磁盘上。处于性能方面的考虑，操作系统将数据缓存在内存中，所以无法保证写入到FileChannel里的数据一定会即时写到磁盘上。要保证这一点，需要调用force()方法。

force()方法有一个boolean类型的参数，指明是否同时将文件元数据（权限信息等）写到磁盘上

2.4.9 FileChannel的transferTo和transferFrom方法

通道之间的数据传输：

如果两个通道中有一个是FileChannel，那你可以直接将数据从一个channel传输到另一个channel。

（1）transferFrom()方法

FileChannel的transferFrom()方法可以将数据从源通道传输到FileChannel中。下面是一个FileChannel完成文件间的复制的例子：

示例：

01.txt：

this is from txt 01;

Java源码：

package com.study;

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

//通道间的数据传输
public class FileChannelDemo3 {
    //FileChannel 读取数据到buffer中
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建2个FileChannel
        RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("/Users/xxx/NIO/01.txt", "rw");
        FileChannel fromChannel = aFile.getChannel();

        RandomAccessFile bFile = new RandomAccessFile("/Users/xxx/NIO/02.txt", "rw");
        FileChannel toChannel = bFile.getChannel();

        //fromChannel 传输到 toChannel
        long position = 0;
        long count = fromChannel.size();
        toChannel.transferFrom(fromChannel, position, count);

        aFile.close();
        bFile.close();
        System.out.println("over!!");
    }
}

方法的输入参数position表示从position处开始向目标文件写入数据，count表示最多传输的字节数。如果源通道的剩余空间小于count个字节，则传输的字节数要小于请求的字节数。此处要注意，在SocketChannel的实现中，SocketChannel只会传输此刻准备好的数据（可能不足count字节）。因此，SocketChannel可能不会将请求的所有（Count个字节）全部传输到FileChannel中。

（2）transferTo()方法

transferTo()方法将数据从FileChannel传输到其他的channel中。

下面是一个tansferTo()方法的例子：

package com.study;

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.channels.FileChannel;

//通道间的数据传输
public class FileChannelDemo4 {
    //FileChannel 读取数据到buffer中
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建2个FileChannel
        RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("/Users/xxx/NIO/01.txt", "rw");
        FileChannel fromChannel = aFile.getChannel();

        RandomAccessFile bFile = new RandomAccessFile("/Users/xxx/NIO/03.txt", "rw");
        FileChannel toChannel = bFile.getChannel();

        //fromChannel 传输到 toChannel
        long position = 0;
        long count = fromChannel.size();
        fromChannel.transferTo(position, count, toChannel);

        aFile.close();
        bFile.close();
        System.out.println("over!!");
    }
}

2.5 Socket通信

（1）新的Socket通信类可以运行非阻塞模式并且是可选择的，可以激活打程序（如网络服务器和中间件）巨大的可伸缩性和灵活性。本节中我们会看到，再也没有为每个Socket连接使用一个线程的必要了，也避免了管理大量线程所需要的上下文切换开销。借助新的NIO类，一个或几个线程就可以管理成千上百的活动Socket连接了，并且只有很少甚至可能没有性能损失。所有的Socket通道类（DatagramChannel、SocketChannel和ServerSocketChannel）都继承了位于java.nio.channels.spi包中的AbstractSelectableChannel。这意味着我们可以用一个Selector对象来执行socket通道的就绪选择。

（2）请注意DatagramChannel和SocketChannel实现定义读和写功能的接口而ServerSocketChannel不实现。ServerSocketChannel负责监听传入的连接和创建新的SocketChannel对象，它本身从不传输数据。

（3）在我们具体讨论每一种socket通信前，您应该了解socket和socket通道之间的关系。通道是一个连接I/O服务导管并提供与该服务交互的方法。就某个socket而言，它不会再次实现与之对应的socket通道类中的socket协议API，而java.net中已经存在的socket通道都可以被大多数协议操作重复使用。

全部socket通道类（DatagramChannel、SocketChannel和ServerSocketChannel）在被实例化时都会创建一个对等socket对象。这些是我们所熟悉的来自java.net的类（Socket、ServerSocket和DatagramSocket），它们已经被更新以识别通道。对等socket可以通过调用socket()方法从一个通道上获取。此外，这三个java.net类现在都有getChannel()方法。

（4）要把一个socket通道置于非阻塞模式，我们要依靠所有的socket通道类的公有超级类：SelectableChannel。就绪选择（readiness selection）是一种可以用来查询通道的机制，该查询可以判断通道是否准备好执行一个目标操作，如读或写。非阻塞I/O和可选择性是紧密相联的，那也正是管理阻塞模式的API代码要在SelectableChannel超级类中定义的原因。

设置或者重新设置一个通道的阻塞模式是很简单的，只要调用configureBlocking()方法即可，传递参数值为true则设为阻塞模式，参数值为false值设为非阻塞模式。可以通过调用isBlocking()方法来判断某个socket通道当前处于哪种模式。

AbstractSelectableChannel.java中实现的configureBlocking()方法如下：

    public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block)
        throws IOException
    {
        synchronized (regLock) {
            if (!isOpen())
                throw new ClosedChannelException();
            if (blocking == block)
                return this;
            if (block && haveValidKeys())
                throw new IllegalBlockingModeException();
            implConfigureBlocking(block);
            blocking = block;
        }
        return this;
    }