Java NIO之通道

通道

通道

channel用于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）之间有效的传输数据。
通道时一种途径，通过这种途径，可以用最小的总开销来访问操作系统本身的IO服务，缓冲区则是通道内部用于发送和接受数据的断点。

通道基础

顶层接口Channel，次级接口WritableByteChannel、ReadableByteChannel、InterruptibleChannel等。描述通道行为的接口在java.nio.channels包中定义，具体的通道实现都是从java.nio.channels.spi中的类引申来的。

通道打开

IO可以分为广义的两大类：File IO和Stream IO，对应File通道和Socket通道。体现在FileChannel类和三个socket通道类：SocketChannel、ServerSocketChannel和DatagramChannel。
代码如下：

            //打开SocketChannel
            SocketChannel sc = SocketChannel.open( );
            sc.connect (new InetSocketAddress("somehost", port));
            
            //打开ServerSocketChannel
            ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open( );
            ssc.socket( ).bind (new InetSocketAddress (port));

            DatagramChannel dc = DatagramChannel.open( );

            //FileChannel只能通过 RandomAccessFile、FileInputStream 或 FileOutputStream 对象上调用 getChannel( )方法来获取
            RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile ("somefile", "r");
            FileChannel fc = raf.getChannel( );

通道使用

利用通道，从控制台接收输入，并在控制台打印出接收的输入。代码如下：

public static void main(String[] args) throws IOException {

        //一个读通道，一个写通道
        ReadableByteChannel source = Channels.newChannel(System.in);
        WritableByteChannel dest = Channels.newChannel(System.out);

        channelCopy(source,dest);

        source.close();
        dest.close();
    }

    private static void channelCopy(ReadableByteChannel source, WritableByteChannel dest) throws IOException{

        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(16 * 1024);
        ByteBuffer flag = ByteBuffer.allocate(4);
        while (source.read(byteBuffer) != -1) {
            byteBuffer.flip();
            //输出标记
            flag.put((byte)'-').put((byte)'-').put((byte)'-').put((byte) '>');
            flag.flip();
            dest.write(flag);
            dest.write(byteBuffer);
            flag.clear();

            byteBuffer.compact();
        }
        byteBuffer.flip();
        //确保缓冲区排干净
        while (byteBuffer.hasRemaining()) {
            flag.putChar('-').putChar('-').putChar('-');
            flag.flip();
            dest.write(byteBuffer);
            flag.clear();
        }

    }

测试输入输出如下：

通道关闭

与缓冲区不同，通道不能重复利用，打开通道即代表与一个特定的IO服务的特定链接并封装该链接的状态，通道关闭时，连接丢失，通道不在连接任何东西。
调用close方法时，可能导致线程暂时阻塞，关闭的通道上调用close方法不会产生任何操作，只会立即返回。可以通过isOpen方法判断通道状态。
如果一个线程被中断，那么这个线程访问的通道将立即关闭，这也是为程序健壮性而采用的一种权衡。

Scatter/Gather

在多个缓冲区实现一个简单的IO操作：
对于write，数据是从几个缓冲区按顺序抽取（gather）并沿着通道发送。该gather过程，好比全部缓冲区内容被连接起来，并在发送前存放到一个大的缓冲区。
对于read，从通道读取的数据会被按顺序散布（scatter）到多个缓冲区，将每个缓冲区填满直至通道中的数据或缓冲区的空间被消耗完。
接口定义如下，其中read和write入参时Buffer数组：

public interface ScatteringByteChannel
    extends ReadableByteChannel
{
    public long read (ByteBuffer [] dsts)
        throws IOException;
    public long read (ByteBuffer [] dsts, int offset, int length)
        throws IOException;
}
public interface GatheringByteChannel
    extends WritableByteChannel
{
    public long write(ByteBuffer[] srcs)
        throws IOException;
    public long write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length)
        throws IOException;
}

文件通道

具体来讲FileChannel，接口如下：

public abstract class FileChannel
    extends AbstractInterruptibleChannel
    implements SeekableByteChannel, GatheringByteChannel, ScatteringByteChannel

FileChannel 对象是线程安全(thread-safe)的.
对于文件IO，最强大之处在于异步IO，它允许一个进程可以从操作系统请求一个或多个IO操作而不必等待这些操作完成。

文件通道代码示例

将缓冲区数据，通过文件channel写入文件

    public static void write(String filePath) throws Exception {
        /*写文件，使用FileOutputStream，RandomAccessFile都可以。*/
/*      RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(filePath,"rw");*/
        FileOutputStream file = new FileOutputStream(new File(filePath));
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(500);
        String str = "hello LK";
        /*数据写入缓冲区*/
        byteBuffer.put(str.getBytes());
        byteBuffer.flip();

        FileChannel fileChannel = file.getChannel();

        //将缓冲区数据写入文件通道
        fileChannel.write(byteBuffer);

        byteBuffer.clear();
        fileChannel.close();
    }

通过文件channel，将文件中的数据读入缓冲区

    public static void read(String filePath) throws Exception {
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(new File(filePath));
        /*一个FileChannel对象却只能通过
        在一个打开的RandomAccessFile、FileInputStream或FileOutputStream对象上调用getChannel()方法来获取，
        开发者不能直接创建一个FileChannel*/
        FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();

        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(500);
        //将文件channel读入缓冲区
        fileChannel.read(byteBuffer);

        byteBuffer.flip();

        while (byteBuffer.hasRemaining()){
            System.out.print((char)byteBuffer.get());
        }

        byteBuffer.clear();
        fileChannel.close();
    }

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。借助新的NIO类，一个或几个线程可以管理成百上千的活动socket连接，并且只有很少的性能顺势。
全部 socket 通道类(DatagramChannel、SocketChannel 和 ServerSocketChannel)都是由位于java.nio.channels.spi 包中的AbstractSelectableChannel引申而来。
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。

Socket通道代码示例

启动一个ServerSocketChannel，监听8001端口，非阻塞模式。启动10个SocketChannel线程向ServerSocketChannel写数据。
ServerSocketChannel代码如下：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        /*非阻塞*/
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(port));
        System.out.println("ServerSocketChannel is OK，waiting @[" + LocalDateTime.now() + "]");

        for (; ; ) {
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            if (socketChannel == null) {
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println("ServerSocketChannel sleep 1000ms.");
                continue;
            }
            String connectIP = socketChannel.socket().getRemoteSocketAddress().toString();
            System.out.println("客户端已有数据到来，客户端ip为:" + connectIP + ", 时间为" + LocalDateTime.now());
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            socketChannel.read(byteBuffer);
            byteBuffer.flip();
            while (byteBuffer.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) byteBuffer.get());
            }
            socketChannel.close();
        }
    }

启动10个SocketCHannel代码如下：

private static final int port = 8001;
    public static void main(String[] args) {
        for (int i=0;i<10;i++) {
            new SocketChannelImpl(port,i).start();
        }
    }
    private static class SocketChannelImpl extends Thread {
        private  int count = 0;
        private int port;
        public SocketChannelImpl(int port,int count){
            this.port = port;
            this.count = count;
        }
        @Override
        public void run() {

            try {
                SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
                /*非阻塞*/
                socketChannel.configureBlocking(false);
                socketChannel.connect(new InetSocketAddress(port));

                for (;!socketChannel.finishConnect();) {
                    System.out.println("connectting....");
                    Thread.sleep(50);
                }
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                String content = "hello, i am client--------->" + count;
                byteBuffer.put(content.getBytes());
                byteBuffer.flip();
                socketChannel.write(byteBuffer);

                byteBuffer.clear();
                socketChannel.close();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }