Java Netty 学习(四) - NIO基础知识Channel和Pipe

前面说过，在NIO中，是利用Channel和Buffer进行数据传送的。
Channel主要包括四种：

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。

本文主要先介绍下四种Channel的用法，然后再探究在底层原理上有何差别。

FileChannel

FileChannel无法设置为非阻塞模式，它总是运行在阻塞模式下。

在上一篇文章中也简单讲了FileChannel的一些原理及用法：
Java Netty 学习(三)- BIO,AIO,NIO深入浅出
首先看一个例子：

private static void buffer() throws IOException{
    RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("/home/anla7856/workspace/io.examples/pom.xml", "rw");
    FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
    int bytesRead = inChannel.read(buf); 
    while (bytesRead != -1) {
      buf.flip();  //准备读
      while(buf.hasRemaining()){
          System.out.print((char) buf.get()); // 一次从buf中读取一个字节，并且转化为char输出
      }
      buf.clear(); //清空buf，让其处于待写状态。
      bytesRead = inChannel.read(buf);
    }
    aFile.close();
}

上面代码简单的从RandomAccessFile中获取一个FileChannel，然后读取数据到buffer中。可以理解为以下几个步骤：
1. 打开Channel：FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
2. 从Channel中读取数据：int bytesRead = inChannel.read(buf);

而对于向Channel中写数据则为：

while(buf.hasRemaining()) {
    channel.write(buf);
}

或许这个形式，和不同IO很相似，难道也是一个个字节往里面输入的？
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。

Channel其他操作

关闭Channel：channel.close();
position方法：类似于RandomAccessFile，可能需要在某个特定位置对Channel进行读写，则可以把position设置为一个特定值后进行读写：channel.position(specialPos +123);
size方法：可以得到关联文件大小long fileSize = channel.size();
truncate方法：channel.truncate(1024); ，方法返回值是当前channel本，这个方法什么意思呢？看一个图：

首先，truncate方法对文件自身也是有效果的，所以如果重要文件需要备份，如果size小于文件的filesize，则执行玩方法后FileChannel数据只有0～size大小，其他被删除了，如果大于filesize，则不回产生任何变化。
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);

SocketChannel

以前Java网络编程时候，都是用的Socket，和ServerSocket，但是它们的读取是阻塞式的，也就是一个Socket一个线程，有数据时读才会返回。
SocketChannel是一个连接到TCP网络套接字的通道，主要有两种方式连通：

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

如下方式打开：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://localhost", 80));

SocketChannel的读写可分为阻塞模式和非阻塞模式：
使用上设置：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8001));
socketChannel.configureBlocking(true);    //设置为阻塞，默认为true

阻塞模式

阻塞模式下read和write与FileChannel一致，此处就不细讲，代码一致。

非阻塞模式

在异步模式下调用connect(), read() 和write()
1. connect方法：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。如下：

socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://localhost", 80));
while(! socketChannel.finishConnect() ){     //如果没有连接上就一直尝试
    //wait, or do something else..
}

write方法：可能未写出任何东西就返回了，所以需要用while判定
read方法：可能为读出任何东西就返回了，所以同样需要while判定

通常，在非阻塞模式下，channel需要与selector配合使用，由selector来判定哪个channel准备好了，可以读/写了。

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel在用法上，和SocketChannel一致，也可以设置为阻塞和非阻塞，使用方法参看SocketChannel，
看看ServerSocketChannel接受新的SocketChannel，这也是一个非阻塞情况，当立即返回而没有任何SocketChannel时，
需要while循环判断：

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...
    }
}

DatagramChannel

针对UDP的Channel，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。
同样它也有阻塞和非阻塞之分，这里就部分开分析了，可以结合上文分析。
看下面使用：
1. 打开一个DatagramChannel

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));

接收数据
即从buffer中读取数据到channel中。

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

发送数据

int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("localhost", 80));

因为UDP是无连接的网络协议，虽然它又阻塞和非阻塞式，但是实际使用时，是默许UDP丢包的，例如视频聊天（基于UDP），丢包并不影响。

Channel之间传递数据

如果两个Channel中有一个是FileChannel，那你可以直接将数据从一个channel，传输到另外一个channel。
有两个方法，transferFrom和transferTo。

transferFrom是从其他channel传输到fileChannel，用法为：

destChannel.transferFrom(position, count, srcChannel);

当然，最终传输也是按照从position到count的数量来传输的，如果设定后position=capacity(譬如srcChannel也是FileChannel，可以设置position)，则传输字节为0.
另外，在SoketChannel的实现中，SocketChannel只会传输此刻准备好的数据（可能不足count字节）。
因此，SocketChannel可能不会将请求的所有数据(count个字节)全部传输到FileChannel中。

transferTo，是从FileChannel传输到其他channel中，如下例子：

RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("fromFile.txt", "rw");
FileChannel      fromChannel = fromFile.getChannel();

RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("toFile.txt", "rw");
FileChannel      toChannel = toFile.getChannel();

long position = 0;
long count    = fromChannel.size();

fromChannel.transferTo(position, count, toChannel);

两个方法用法很相似是吧~

#

Pipe和Channel相比更加简单，Channel是双向的，而Pipe则是单项传递的。
Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会被写到sink通道，从source通道读取。

这里写图片描述

创建Pipe

如下去创建Pipe：

Pipe pipe = Pipe.open();

向Pipe写数据sinkChannel

如下示例：

Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();
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()) {
    sinkChannel.write(buf);
}

从Pipe中读取数据sourceChannel

如下示例：

Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = inChannel.read(buf);

参考资料：
1. http://tutorials.jenkov.com/java-nio/channel-to-channel-transfers.html
2. http://ifeve.com/java-nio-channel-to-channel/
3. http://ifeve.com/pipe/