NIO之Channel

1、基本概念

Java NIO中，channel用于数据的传输，类似于传统BIO中的流（IOStream）的概念。

我们都知道，系统的I/O都分为两个阶段：

• 等待就绪：从IO设备将数据读取到内核中的过程；
• 操作：将数据从内核复制到进程缓冲区的过程。

Channel就可以看作是IO设备和内核区域的一个桥梁，凡是与IO设备交互都必须通过channel，而Buffer就可以看作是内核缓冲区。这样整个过程就很好理解了，我们举个读写的例子：

数据读取过程：

• 先从IO设备（网卡或者磁盘）将内容读取到内核中，对应于NIO就是从网卡或磁盘利用channel将数据读到buffer中；
• 然后就是内核中的数据复制到进程缓冲区，对应于就是从buffer中读取数据；

数据写入过程：

• 先从进程将数据写到内核中，对应于就是进程将数据写入到buffer中；
• 然后内核中的数据再写入到网卡或者磁盘中，对应于就是，buffer中的数据利用channel传输到IO设备中。

所以，在NIO中数据的读取和写入必须经过Buffer和Channel。也就是说，在读取数据的时候，先利用channel将IO设备中的数据读取到buffer，然后从buffer中读取；在写入数据的时候，先将数据写入到buffer，然后buffer中的数据再通过channel传到IO设备中。

1）Channel特点：

• 与传统IO中的流不同，channel是双向的（可读可写），channel从buffer中读取数据，写入数据也是先写入到buffer；
• channel可以实现异步读写操作；
• channel可以设置为阻塞和非阻塞的模式；
• 只有socket的channel可以设置为非阻塞模式，文件的channel是无法设置的，文件的IO一定是阻塞的；
• 如果是文件channel的话，channel可以在channel之间传输数据；

注：非阻塞模式意味着，当读不到数据或者缓冲区已满无法写入的时候，不会把线程睡眠

2）常用的Channel ：

• FileChannel ：从文件中读写数据
• DatagramChannel： 从 UDP 中读写数据
• SocketChannel ：从TCP 中读写数据
• ServerSocketChannel：监听新进来的 TCP 连接，每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel

2、FileChannel介绍

FileChannel是操作文件的Channel，我们可以通过FileChannel 从一个文件中读取数据，也可以将数据写入到文件中。

此外，FileChannel拥有transferTo和transferFrom两个方法，可直接把FileChannel中的数据拷贝到另外一个Channel，或者直接把另外一个Channel中的数据拷贝到FileChannel，该接口常被用于高效的网络/文件的数据传输和大文件拷贝。在操作系统支持的情况下，通过该方法传输数据并不需要将源数据从内核态拷贝到用户态，再从用户态拷贝到目标通道的内核态，同时也避免了两次用户态和内核态间的上下文切换，也即使用了“零拷贝”，其性能一般高于Java IO中提供的方法。

注意：FileChannel 不能设置为非阻塞模式！

2.1）常用方法：

• 打开一个FileChannel需要通过输入/输出（FileInputStream）流或者RandomAccessFile的getChannel()方法；
• int read(ByteBuffer dst) ：从 Channel 中读取数据写入 Buffer；
• int write(ByteBuffer src) ：从 Buffer 中读取数据写入 Channel；
• long size() ：返回FileChannel对应的文件的文件大小；
• void close()：对 FileChannel 的操作完成后, 必须将其关闭；
• void truncate(int n)：将文件截断到指定长度；
• void force(bool b)：强制将缓存中未写入的数据写入到文件中；
• long position() ：得到 Channel 中文件的当前操作位置；
• position(long newPosition) ：设置 Channel 中文件的当前操作位置；

注：假设我们把当前位置设置为文件结尾之后，从通道中读取数据时返回值是-1，表示已经到达文件结尾了。 如果把当前位置设置为文件结尾之后，在向通道中写入数据，文件会自动扩展以便写入数据，但是这样会导致文件中出现类似空洞，即文件的一些位置是没有数据的。

2.2）写入文件示例：

public static void fileChannelWrite() {
		RandomAccessFile aFile = null;
		FileChannel channel = null;
		try {
			aFile = new RandomAccessFile("D:\\testFileChannel.txt", "rw");
			channel = aFile.getChannel();//通过RandomAccessFile打开FileChannel
			
			//写入数据：这里的capacity如果设置小了，下面的put方法会报java.nio.BufferOverflowException
			ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(newData.getBytes().length-1);
			buf.clear();//切换到接收模式
			buf.put(newData.getBytes());//1.将数据从用户空间写入内核缓冲区（ByteBuffer）

			buf.flip();//切换到输出模式
			while(buf.hasRemaining()) {//因为write不能保证有多少数据真实被写入，因此需要循环写入直到没有更多数据。
			    channel.write(buf);//2.将数据从内核缓冲（ByteBuffer）区写到到io（channel）
			}
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		} finally {
			try {
				if (channel != null) channel.close();
				if (aFile != null) aFile.close();
			} catch (IOException e) {
			}
		}
	}

说明：

• 上面例子使用了RandomAccessFile打开了FileChannel；
• 代码中1.2两处对应了IO写数据的两个步骤；
• Buffer有两种模式，在使用时要注意切换；
• ByteBuffer申请capacity时不能小于要写入的数据量（单位字节），否则put时报java.nio.BufferOverflowException；
• channel的write方法不能保证有多少数据真实被写入channel，因此需要循环写入直到没有更多数据。

2.3）读取文件示例：

public static void fileChannelRead() {
		FileInputStream ins = null;
		FileChannel channel = null;
		try {
			ins = new FileInputStream("D:\\test1.txt");
			channel = ins.getChannel();//通过FileInputStream打开FileChannel
			
			//读取数据：这里设置的capacity，下面read方法如果10字节恰好分割了一个字符将出现乱码
			ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
			while (channel.read(buf) != -1) {//1.从io设备（Channel）读取到内核缓冲区（ByteBuffer）
				buf.flip();//切换到输出模式
				
				System.out.print(charset.decode(buf));//2.从缓冲区（ByteBuffer）读取到用户空间；这里可能会乱码
				
				buf.clear();//切换到输入模式
			}
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		} finally {
			try {
				if (channel != null) channel.close();
				if (ins != null) ins.close();
			} catch (IOException e) {
			}
		}
	}

 

说明：

• 上面例子使用了FileInputStream打开了FileChannel；
• 代码中划线的两处对应了IO读数据的两个步骤；
• Buffer有两种模式，在使用时要注意切换；
• 从IO设备读取数据到内核缓冲区时，如果缓冲区的大小恰好分隔了一个字符，就会出现乱码；

注：有些时候，从ByteBuffer中读数据时也会有一个while循环，例如：

while(buffer.hasRemaining()) {

System.out.println((char)buffer.get());

}

2.4）数据拷贝示例：

public static void main(String[] args) {
	//通过FileInputStream构造FileChannel
	FileChannel in = new FileInputStream("a.txt").getChannel();
	FileChannel out = new FileOutputStream("b.txt").getChannel();
	
	ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
	
	//调用channel的write方法往buffer中写数据
	while(in.read(buffer) != -1) {
		//从buffer中读取数据之前先切换模式
		buffer.flip();
		//从buffer中读数据写到channel
		out.write(buffer);
		//往buffer中写数据前先切换模式
		buffer.clear();
	}
	//或者调用如下代码
	//out.transferFrom(in,0,in.size());
}

2.5）零拷贝示例：

将本地文件内容传输到网络的示例代码如下所示

public class NIOClient {

  public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
    SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
    InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(1234);
    socketChannel.connect(address);

    RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(
        NIOClient.class.getClassLoader().getResource("test.txt").getFile(), "rw");
    FileChannel channel = file.getChannel();
    channel.transferTo(0, channel.size(), socketChannel);
    channel.close();
    file.close();
    socketChannel.close();
  }
}

3、SocketChannel介绍

SocketChannel是一个客户端用来进行TCP连接的Channel，相当于Java网络编程中的Socket套接字接口。创建一个 SocketChannel 的方法有两种：

• 在客户端使用SocketChannel.open()打开一个socketChannel，然后使用scoketChannel.connect()将其连接到某个服务器中；
• 在服务端当一个 ServerSocketChannel 接受到连接请求时，会返回一个 SocketChannel 对象

3.1）常用方法：

• open()、connect()：打开一个SocketChannel，并且设置连接；
• int read(ByteBuffer dst) ：从 Channel 中读取数据写入 Buffer；
• int write(ByteBuffer src) ：从 Buffer 中读取数据写入 Channel；
• void close()：对ScokcetChannel 的操作完成后, 必须将其关闭；
• configureBlocking(false)：设置 SocketChannel 为非阻塞模式，这样我们的connect、read、write 都是非阻塞的了；

3.2）利用socketChannel发送http请求，并解析http的响应：

private static Charset charset = Charset.forName("UTF-8");// 创建GBK字符集
	public static void socketChannelTest() {
		SocketChannel socketChannel = null;
		try {
			socketChannel = SocketChannel.open();
			socketChannel.connect(new InetSocketAddress("www.ifeng.com", 80));
			
			String line="GET / HTTP/1.1 \r\n";
			line+="HOST:www.ifeng.com\r\n";
			line+="\r\n";
			//1.发送http请求：写数据到io设备
			ByteBuffer requestBuf = charset.encode(line);//1.1 用户空间数据写入到缓存（ByteBuffer）
			while (requestBuf.hasRemaining()) {
				socketChannel.write(requestBuf);//1.2 缓存数据写入到io设备（socketChannel）
			}
			
			//2.接收http响应读取数据:读取数据到用户空间
			ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);//capacity设置的恰好分隔一个字符时会出现乱码
			while (socketChannel.read(buf) != -1) {//2.1 io设备数据写入到缓存（ByteBuffer）
				buf.flip();//切换到输出模式
				System.out.print(charset.decode(buf));//2.2 从缓存数据读取到用户空间；可能会乱码
				buf.clear();//切换到输入模式
			}
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		} finally {
			try {
				if (socketChannel != null) {
					socketChannel.close();
				}
			} catch (Exception e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}

说明：

• 构造http请求的时候，最少需要的协议或者说参数是：GET / HTTP/1.1 \r\n Host: www.ifeng.com \r\n
• 通过BIO、NIO方式创建http请求设计到IO的写入（http请求）、和IO的读取（http响应）；除了这种方式，更简单的方式是通过HttpURLConnection类完成http的操作，后者是基于HTTP协议的，其底层是通脱socket通信实现的。
• 从这里也可以得出结论，http协议是在TCP只上的应用层协议，性能没有基于TCP（socket）的rpc协议高。

3.3）非阻塞设置：

我们可以吧SocketChannel设置为non-blocking（非阻塞）模式。这样的话在调用connect(), read(), write()时都是异步的。

1）connect()：

如果我们设置了一个SocketChannel是非阻塞的，那么调用connect()后，方法会在链接建立前就直接返回。为了检查当前链接是否建立成功，我们可以调用finishConnect()，如下：

socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://example.com", 80));

while(! socketChannel.finishConnect() ){
    //wait, or do something else...    
}

2）write()：

在非阻塞模式下，调用write()方法不能确保方法返回后写入操作一定得到了执行。因此我们需要把write()调用放到循环内。这和前面代码中write始终是在一个while里一样。例如：

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());

buf.flip();

while(buf.hasRemaining()) {
    channel.write(buf);
}

3）read()：

在非阻塞模式下，调用read()方法也不能确保方法返回后，确实读到了数据。因此我们需要自己检查的整型返回值，这个返回值会告诉我们实际读取了多少字节的数据。

4）和Selector结合非阻塞模式：

SocketChannel的非阻塞模式可以和Selector很好的协同工作。把一个或多个SocketChannel注册到一个Selector后，我们可以通过Selector指导哪些channels通道是处于可读，可写等等状态的。后续我们会再详细阐述如果联合使用Selector与SocketChannel。

 

4、ServerSocketChannel介绍

ServerSocketChannel是用于服务端监听TCP链接请求的通道，正如Java网络编程中的ServerSocket一样。

4.1）常用方法：

• ServerSocketChannel.open()：打开一个ServerSocketChannel通道；
• close()：关闭；
• accept()：监听客户端的TCP请求，返回一个SocketChannel；该方法可以设置成阻塞、非阻塞模式；

4.2）阻塞方式监听TCP请求：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
while(true){
    SocketChannel socketChannel =
            serverSocketChannel.accept();

    //do something with socketChannel...
}

4.3）非阻塞方式监听TCP请求：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
serverSocketChannel.configureBlocking(false);

while(true){
    SocketChannel socketChannel =
            serverSocketChannel.accept();

    if(socketChannel != null){
        //do something with socketChannel...
        }
}

在非阻塞模式下，调用accept()函数会立刻返回，如果当前没有请求的链接，那么返回值为空null。因此我们需要手动检查返回的SocketChannel是否为空.

 

5、DatagramChannel介绍

DatagramChannel 是用来处理 UDP 连接的。略

参考：

https://segmentfault.com/a/1190000006824107

https://wiki.jikexueyuan.com/project/java-nio-zh/java-nio-socketchannel.html