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

赶路人儿

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1、基本概念

2、FileChannel介绍

3、SocketChannel介绍

4、ServerSocketChannel介绍

5、DatagramChannel介绍

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