NIO详解（九）：Channel详解

你的名字 2022-01-29 01:13 466阅读 0赞

# 1. Channel概述 #

Java NIO的通道类似流，但又有些不同。

> 1.  Channel既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道。但流的读写通常是单向的。
> 2.  Channel通道可以异步地读写。
> 3.  Channel通道中的数据总是要先读到一个Buffer，或者总是要从一个Buffer中写入。

通道中的数据总是要先读到一个Buffer，或者总是要从一个Buffer中写入。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 1.1 Channel 的实现 ##

这些是Java NIO中最重要的通道的实现：

>  *  FileChannel: FileChannel 从文件中读写数据。
>  *  DatagramChannel：DatagramChannel 能通过UDP读写网络中的数据。
>  *  SocketChannel：SocketChannel 能通过TCP读写网络中的数据。
>  *  ServerSocketChannel：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。

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
    FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
    
    //create buffer with capacity of 48 bytes
    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
    
    int bytesRead = 0; //read into buffer.
    while ((bytesRead=inChannel.read(buf))!=-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
    }
    aFile.close();

# 2. Channel 数据传输之Scatter/Gather模式 #

Java NIO开始支持scatter/gather，scatter/gather用于描述从Channe中读取或者写入到Channel的操作。

分散（scatter）从Channel中读取是指在读操作时将读取的数据写入多个buffer中。因此，Channel将从Channel中读取的数据“分散（scatter）”到多个Buffer中。

聚集（gather）写入Channel是指在写操作时将多个buffer的数据写入同一个Channel，因此，Channel 将多个Buffer中的数据“聚集（gather）”后发送到Channel。

scatter / gather经常用于需要将传输的数据分开处理的场合，例如传输一个由消息头和消息体组成的消息，你可能会将消息体和消息头分散到不同的buffer中，这样你可以方便的处理消息头和消息体。

## 2.1 Scattering Reads ##

Scattering Reads是指数据从一个channel读取到多个buffer中。如下图描述：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
    ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);
    
    ByteBuffer[] bufferArray = {  header, body };
    
    channel.read(bufferArray);

buffer首先被插入到数组，然后再将数组作为channel.read() 的输入参数。read()方法按照buffer在数组中的顺序将从channel中读取的数据写入到buffer，当一个buffer被写满后，channel紧接着向另一个buffer中写。Scattering Reads在移动下一个buffer前，必须填满当前的buffer，这也意味着它不适用于动态消息(译者注：消息大小不固定)。换句话说，如果存在消息头和消息体，消息头必须完成填充（例如 128byte），Scattering Reads才能正常工作。

## 2.2 Gathering Writes ##

Gathering Writes是指数据从多个buffer写入到同一个channel。如下图描述：

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
    ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);
    
    //write data into buffers
    
    ByteBuffer[] bufferArray = {  header, body };
    
    channel.write(bufferArray);

buffers数组是write()方法的入参，write()方法会按照buffer在数组中的顺序，将数据写入到channel。

# 3. ServerSocketChannel #

Java NIO中的 ServerSocketChannel 是一个可以监听新进来的TCP连接的通道, 就像标准IO中的ServerSocket一样。ServerSocketChannel类在 java.nio.channels包中。

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
    
    serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
    
    while(true){ 
        SocketChannel socketChannel =
                serverSocketChannel.accept();
        //do something with socketChannel...
    }

## 3.1 打开 ServerSocketChannel ##

通过调用 ServerSocketChannel.open() 方法来打开ServerSocketChannel.如：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

## 3.2 关闭 ServerSocketChannel ##

通过调用ServerSocketChannel.close() 方法来关闭ServerSocketChannel. 如：

serverSocketChannel.close();

## 3.3 监听新进来的连接 ##

通过 ServerSocketChannel.accept() 方法监听新进来的连接。当 accept()方法返回的时候,它返回一个包含新进来的连接的 SocketChannel。因此, accept()方法会一直阻塞到有新连接到达。

通常不会仅仅只监听一个连接,在while循环中调用 accept()方法. 如下面的例子：

while(true){ 
        SocketChannel socketChannel =
                serverSocketChannel.accept();
        //do something with socketChannel...
    }

## 3.4 ServerSocketChannel非阻塞模式 ##

ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下，accept() 方法会立刻返回，如果还没有新进来的连接,返回的将是null。 因此，需要检查返回的SocketChannel是否是null.

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...
        }
    }

# 4. SocketChannel #

Java NIO中的SocketChannel是一个连接到TCP网络套接字的通道。可以通过以下2种方式创建SocketChannel：

> 1.  打开一个SocketChannel并连接到互联网上的某台服务器。
> 2.  一个新连接到达ServerSocketChannel时，会创建一个SocketChannel。

## 4.1 打开SocketChannel ##

下面是SocketChannel的打开方式：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
    socketChannel.connect(new InetSocketAddress("192.168.1.1", 80));

## 4.2 关闭 SocketChannel ##

当用完SocketChannel之后调用SocketChannel.close()关闭SocketChannel：

socketChannel.close();

## 4.3 从 SocketChannel 读取数据 ##

要从SocketChannel中读取数据，调用一个read()的方法之一。以下是例子：

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
    int bytesRead = socketChannel.read(buf);

首先，分配一个Buffer。从SocketChannel读取到的数据将会放到这个Buffer中。然后，调用SocketChannel.read()。该方法将数据从SocketChannel 读到Buffer中。read()方法返回的int值表示读了多少字节进Buffer里。如果返回的是-1，表示已经读到了流的末尾（连接关闭了）。

## 4.4 写入 SocketChannel 写入数据 ##

写数据到SocketChannel用的是SocketChannel.write()方法，该方法以一个Buffer作为参数。示例如下：

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);
    }

注意SocketChannel.write()方法的调用是在一个while循环中的。Write()方法无法保证能写多少字节到SocketChannel。所以，我们重复调用write()直到Buffer没有要写的字节为止。

## 4.5 非阻塞模式 ##

可以设置 SocketChannel 为非阻塞模式（non-blocking mode）.设置之后，就可以在异步模式下调用connect(), read() 和write()了。

### connect() ###

如果SocketChannel在非阻塞模式下，此时调用connect()，该方法可能在连接建立之前就返回了。为了确定连接是否建立，可以调用finishConnect()的方法。像这样：

socketChannel.configureBlocking(false);
    socketChannel.connect(new InetSocketAddress("192.168.1.1", 80));
    
    while(! socketChannel.finishConnect() ){ 
        //wait, or do something else...
    }

### write() ###

非阻塞模式下，write()方法在尚未写出任何内容时可能就返回了。所以需要在循环中调用write()。前面已经有例子了，这里就不赘述了。

### read() ###

非阻塞模式下,read()方法在尚未读取到任何数据时可能就返回了。所以需要关注它的int返回值，它会告诉你读取了多少字节。

### 非阻塞模式与选择器 ###

非阻塞模式与选择器搭配会工作的更好，通过将一或多个SocketChannel注册到Selector，可以询问选择器哪个通道已经准备好了读取，写入等。Selector与SocketChannel的搭配使用会在后面详讲。

# 5. FileChannel #

Java NIO中的FileChannel是一个连接到文件的通道。可以通过文件通道读写文件。FileChannel无法设置为非阻塞模式，他总是运行在阻塞模式下。

## 5.1 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，需要通过使用一个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("data/nio-data.txt", "rw");
    FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

## 5.2 从FileChannel读取数据 ##

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
    int bytesRead = inChannel.read(buf);

首先，分配一个Buffer。从FileChannel中读取的数据将被读到Buffer中。然后，调用FileChannel.read()方法。该方法将数据从FileChannel读取到Buffer中。read()方法返回的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。

## 5.3 向FileChannel写数据 ##

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

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。

## 5.4 关闭FileChannel ##

用完FileChannel后必须将其关闭。如：

channel.close();

## 5.5 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position()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。

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。

## 5.6 FileChannel的size方法 ##

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

long fileSize = channel.size();

## 5.7 FileChannel的truncate方法 ##

可以使用FileChannel.truncate()方法截取一个文件。截取文件时，文件将中指定长度后面的部分将被删除。如：

channel.truncate(1024);

这个例子截取文件的前1024个字节。

## 5.8 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。出于性能方面的考虑，操作系统会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。

下面的例子同时将文件数据和元数据强制写到磁盘上：

channel.force(true);

# 6. DatagramChannel #

Java NIO中的DatagramChannel是一个能收发UDP包的通道。因为UDP是无连接的网络协议，所以不能像其它通道那样读取和写入。它发送和接收的是数据包。

## 6.1 打开 DatagramChannel ##

下面是 DatagramChannel 的打开方式：

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
    channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));

## 6.2 DatagramChannel接收数据 ##

通过receive()方法从DatagramChannel接收数据，如：

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
    buf.clear();
    channel.receive(buf);

receive()方法会将接收到的数据包内容复制到指定的Buffer. 如果Buffer容不下收到的数据，多出的数据将被丢弃。

## 6.3 DatagramChannel发送数据 ##

通过send()方法从DatagramChannel发送数据，如:

String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();
    
    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
    buf.clear();
    buf.put(newData.getBytes());
    buf.flip();
    
    int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));

这个例子发送一串字符到”[jenkov.com][]”服务器的UDP端口80。 因为服务端并没有监控这个端口，所以什么也不会发生。也不会通知你发出的数据包是否已收到，因为UDP在数据传送方面没有任何保证。

## 6.4 DatagramChannel连接到特定的地址 ##

可以将DatagramChannel“连接”到网络中的特定地址的。由于UDP是无连接的，连接到特定地址并不会像TCP通道那样创建一个真正的连接。而是锁住DatagramChannel ，让其只能从特定地址收发数据。

channel.connect(new InetSocketAddress("192.168.1.1", 80));

当连接后，也可以使用read()和write()方法，就像在用传统的通道一样。只是在数据传送方面没有任何保证。这里有几个例子：

int bytesRead = channel.read(buf);
    int bytesWritten = channel.write(but);

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220129/63c5d4e01ac4405ea74a4db72b6a7643.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220129/eb02feddca394b749b68e7c503a8dca5.png
[jenkov.com]: http://jenkov.com