NIO之Channel

快来打我* 2021-06-22 15:36 553阅读 0赞

### 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_segmentfault.com_a_1190000006824107]

[https://wiki.jikexueyuan.com/project/java-nio-zh/java-nio-socketchannel.html][https_wiki.jikexueyuan.com_project_java-nio-zh_java-nio-socketchannel.html]

[www.ifeng.com]: http://www.ifeng.com
[https_segmentfault.com_a_1190000006824107]: https://segmentfault.com/a/1190000006824107
[https_wiki.jikexueyuan.com_project_java-nio-zh_java-nio-socketchannel.html]: https://wiki.jikexueyuan.com/project/java-nio-zh/java-nio-socketchannel.html