Java NIO学习笔记---Channel

时间：2022-10-15 20:21:16

Java NIO 的核心组成部分：

1.Channels

2.Buffers

3.Selectors

　　我们首先来学习Channels(java.nio.channels)：

通道

　　1)通道基础

　　通道（Channel）是java.nio的第二个主要创新。它们既不是一个扩展也不是一项增强，而是全新、极好的Java I/O示例，提供与I/O服务的直接连接。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。

　　channel的jdk源码：

package java.nio.channels;

    public interface Channel;

    {

        public boolean isOpen();

        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者多个字节的缓冲区。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，但又有些不同：

  • 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。
  • 通道可以异步地读写。
  • 通道中的数据总是要先读到一个 Buffer，或者总是要从一个 Buffer 中写入。

基本上，所有的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 有点象流。 数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer 写到Channel中。这里有个图示： 
　　                                              　　　　　　Java NIO学习笔记---Channel

下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的实现： java.nio.channels包中的Channel接口的已知实现类

  • 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。

正如你所看到的，这些通道涵盖了UDP 和 TCP 网络IO，以及文件IO。

　　2)通道API
　　1.文件通道ＡＰＩ
　　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。
　　FileChannel类的JDK源码：
package java.nio.channels;

    public abstract class FileChannel extends AbstractChannel implements ByteChannel, GatheringByteChannel, ScatteringByteChannel

    {

        // This is a partial API listing

        // All methods listed here can throw java.io.IOException

        public abstract int read (ByteBuffer dst, long position);

        public abstract int write (ByteBuffer src, long position);

        public abstract long size();

        public abstract long position();

        public abstract void position (long newPosition);

        public abstract void truncate (long size);

        public abstract void force (boolean metaData);

        public final FileLock lock();

        public abstract FileLock lock (long position, long size, boolean shared);

        public final FileLock tryLock();

        public abstract FileLock tryLock (long position, long size, boolean shared);

        public abstract MappedByteBuffer map (MapMode mode, long position, long size);

        public static class MapMode;

        public static final MapMode READ_ONLY;

        public static final MapMode READ_WRITE;

        public static final MapMode PRIVATE;

        public abstract long transferTo (long position, long count, WritableByteChannel target);

        public abstract long transferFrom (ReadableByteChannel src, long position, long count);

    }　

　　文件通道总是阻塞式的，因此不能被置于非阻塞模式。现代操作系统都有复杂的缓存和预取机制，使得本地磁盘I/O操作延迟很少。网络文件系统一般而言延迟会多些，不过却也因该优化而受益。面向流的I/O的非阻塞范例对于面向文件的操作并无多大意义，这是由文件I/O本质上的不同性质造成的。对于文件I/O，最强大之处在于异步I/O（asynchronous I/O），它允许一个进程可以从操作系统请求一个或多个I/O操作而不必等待这些操作的完成。发起请求的进程之后会收到它请求的I/O操作已完成的通知。

　　FileChannel对象是线程安全（thread-safe）的。多个进程可以在同一个实例上并发调用方法而不会引起任何问题，不过并非所有的操作都是多线程的（multithreaded）。影响通道位置或者影响文件大小的操作都是单线程的（single-threaded）。如果有一个线程已经在执行会影响通道位置或文件大小的操作，那么其他尝试进行此类操作之一的线程必须等待。并发行为也会受到底层的操作系统或文件系统影响。

　　每个FileChannel对象都同一个文件描述符（file descriptor）有一对一的关系，所以上面列出的API方法与在您最喜欢的POSIX（可移植操作系统接口）兼容的操作系统上的常用文件I/O系统调用紧密对应也就不足为怪了。本质上讲，RandomAccessFile类提供的是同样的抽象内容。在通道出现之前，底层的文件操作都是通过RandomAccessFile类的方法来实现的。FileChannel模拟同样的I/O服务，因此它的API自然也是很相似的。

　　三者之间的方法对比：

　　
FILECHANNEL RANDOMACCESSFILE POSIX SYSTEM CALL
read( ) read( ) read( )
write( ) write( ) write( )
size( ) length( ) fstat( )
position( ) getFilePointer( ) lseek( )
position (long newPosition) seek( ) lseek( )
truncate( ) setLength( ) ftruncate( )
force( ) getFD().sync( ) fsync( )

　　2.Socket通道
　　新的socket通道类可以运行非阻塞模式并且是可选择的。这两个性能可以激活大程序（如网络服务器和中间件组件）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的上下文交换总开销。借助新的NIO类，一个或几个线程就可以管理成百上千的活动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（readiness selection）。

　　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。

　　在我们具体讨论每一种socket通道前，您应该了解socket和socket通道之间的关系。之前的章节中有写道，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。

　　Socket通道将与通信协议相关的操作委托给相应的socket对象。socket的方法看起来好像在通道类中重复了一遍，但实际上通道类上的方法会有一些新的或者不同的行为。

　　要把一个socket通道置于非阻塞模式，我们要依靠所有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连的，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。真的，就这么简单！您可以通过调用isBlocking( )方法来判断某个socket通道当前处于哪种模式。

　　非阻塞socket通常被认为是服务端使用的，因为它们使同时管理很多socket通道变得更容易。但是，在客户端使用一个或几个非阻塞模式的socket通道也是有益处的，例如，借助非阻塞socket通道，GUI程序可以专注于用户请求并且同时维护与一个或多个服务器的会话。在很多程序上，非阻塞模式都是有用的。

　　偶尔地，我们也会需要防止socket通道的阻塞模式被更改。API中有一个blockingLock( )方法，该方法会返回一个非透明的对象引用。返回的对象是通道实现修改阻塞模式时内部使用的。只有拥有此对象的锁的线程才能更改通道的阻塞模式。

2.2.1 ServerSocketChannel
让我们从最简单的ServerSocketChannel来开始对socket通道类的讨论。以下是ServerSocketChannel的完整API：

  public abstract class ServerSocketChannel extends AbstractSelectableChannel

    {

        public static ServerSocketChannel open() throws IOException;

        public abstract ServerSocket socket();

        public abstract ServerSocket accept()throws IOException;

        public final int validOps();

    }　　

ServerSocketChannel是一个基于通道的socket监听器。它同我们所熟悉的java.net.ServerSocket执行相同的基本任务，不过它增加了通道语义，因此能够在非阻塞模式下运行。

由于ServerSocketChannel没有bind( )方法，因此有必要取出对等的socket并使用它来绑定到一个端口以开始监听连接。我们也是使用对等ServerSocket的API来根据需要设置其他的socket选项。

同它的对等体java.net.ServerSocket一样，ServerSocketChannel也有accept( )方法。一旦您创建了一个ServerSocketChannel并用对等socket绑定了它，然后您就可以在其中一个上调用accept( )。如果您选择在ServerSocket上调用accept( )方法，那么它会同任何其他的ServerSocket表现一样的行为：总是阻塞并返回一个java.net.Socket对象。如果您选择在ServerSocketChannel上调用accept( )方法则会返回SocketChannel类型的对象，返回的对象能够在非阻塞模式下运行。

如果以非阻塞模式被调用，当没有传入连接在等待时，ServerSocketChannel.accept( )会立即返回null。正是这种检查连接而不阻塞的能力实现了可伸缩性并降低了复杂性。可选择性也因此得到实现。我们可以使用一个选择器实例来注册一个ServerSocketChannel对象以实现新连接到达时自动通知的功能。以下代码演示了如何使用一个非阻塞的accept( )方法：

 package com.ronsoft.books.nio.channels;

    import java.nio.ByteBuffer;

    import java.nio.channels.ServerSocketChannel;

    import java.nio.channels.SocketChannel;

    import java.net.InetSocketAddress;

    public class ChannelAccept

    {

        public static final String GREETING = "Hello I must be going.\r\n";

        public static void main (String [] argv) throws Exception

        {

            int port = 1234; // default

            if (argv.length > 0) {

                port = Integer.parseInt (argv [0]);

            }

            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap (GREETING.getBytes());

            ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();

            ssc.socket().bind (new InetSocketAddress (port));

            ssc.configureBlocking (false);

            while (true) {

                System.out.println ("Waiting for connections");

                SocketChannel sc = ssc.accept();

                if (sc == null) {

                    Thread.sleep (2000);

                } else {

                    System.out.println ("Incoming connection from: " + sc.socket().getRemoteSocketAddress());

                    buffer.rewind();

                    sc.write (buffer);

                    sc.close();

                }

            }

        }

    }

2.2.2 SocketChannel

下面开始学习SocketChannel，它是使用最多的socket通道类：

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。

打开 SocketChannel

下面是SocketChannel的打开方式：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();

socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));

关闭 SocketChannel

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

socketChannel.close();　　

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）。

写入 SocketChannel

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。

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("http://jenkov.com", 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。

2.2.3 DatagramChannel
最后一个socket通道是DatagramChannel。正如SocketChannel对应Socket，ServerSocketChannel对应ServerSocket，每一个DatagramChannel对象也有一个关联的DatagramSocket对象。不过原命名模式在此并未适用：“DatagramSocketChannel”显得有点笨拙，因此采用了简洁的“DatagramChannel”名称。

正如SocketChannel模拟连接导向的流协议（如TCP/IP），DatagramChannel则模拟包导向的无连接协议（如UDP/IP）。

DatagramChannel是无连接的。每个数据报（datagram）都是一个自包含的实体，拥有它自己的目的地址及不依赖其他数据报的数据负载。与面向流的的socket不同，DatagramChannel可以发送单独的数据报给不同的目的地址。同样，DatagramChannel对象也可以接收来自任意地址的数据包。每个到达的数据报都含有关于它来自何处的信息（源地址）。

最后给出一个基本的channel实例：

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");

FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buf);

//读取的字节数，可能为零，如果该通道已到达流的末尾，则返回 -1

while (bytesRead != -1) { System.out.println("Read " + bytesRead);

buf.flip();

//反转缓冲区

while(buf.hasRemaining()){

System.out.print((char) buf.get());

//读取此缓冲区当前位置的字节，然后该位置递增。

} buf.clear();

bytesRead = inChannel.read(buf);

//从缓冲区读取数据

} aFile.close();

引用链接：感谢文章内容的原创作者;

1.http://www.iteye.com/magazines/132-Java-NIO

2.Java NIO中文版

3.http://www.ibm.com/developerworks/cn/education/java/j-nio/j-nio.html

4.http://www.yangyong.me/java-nio%E5%85%A5%E9%97%A8%E4%B8%8E%E8%AF%A6%E8%A7%A3/

5.http://ifeve.com/socket-channel/

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