Java NIO學習筆記---Channel

Java NIO 的核心組成部分：

1.Channels

2.Buffers

3.Selectors

　　我們首先來學習Channels(java.nio.channels)：

通道

　　1)通道基礎

　　通道（Channel）是java.nio的第二個主要創新。它們既不是一個擴展也不是一項增強，而是全新、極好的Java I/O示例，提供與I/O服務的直接連接。Channel用於在字節緩沖區和位於通道另一側的實體（通常是一個文件或套接字）之間有效地傳輸數據。

　　channel的jdk源碼：

package java.nio.channels;
    public interface Channel;
    {
        public boolean isOpen();
        public void close() throws IOException;
    }

　　與緩沖區不同，通道API主要由接口指定。不同的操作系統上通道實現（Channel Implementation）會有根本性的差異，所以通道API僅僅描述了可以做什么。因此很自然地，通道實現經常使用操作系統的本地代碼。通道接口允許您以一種受控且可移植的方式來訪問底層的I/O服務。

　　Channel是一個對象，可以通過它讀取和寫入數據。拿 NIO 與原來的 I/O 做個比較，通道就像是流。所有數據都通過 Buffer 對象來處理。您永遠不會將字節直接寫入通道中，相反，您是將數據寫入包含一個或者多個字節的緩沖區。同樣，您不會直接從通道中讀取字節，而是將數據從通道讀入緩沖區，再從緩沖區獲取這個字節。

Java NIO 的通道類似流，但又有些不同：

• 既可以從通道中讀取數據，又可以寫數據到通道。但流的讀寫通常是單向的。
• 通道可以異步地讀寫。
• 通道中的數據總是要先讀到一個 Buffer，或者總是要從一個 Buffer 中寫入。

基本上，所有的 IO 在NIO 中都從一個Channel 開始。Channel 有點象流。 數據可以從Channel讀到Buffer中，也可以從Buffer 寫到Channel中。這里有個圖示： 
　　                                              　　　　　　

下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的實現： java.nio.channels包中的Channel接口的已知實現類

• FileChannel：從文件中讀寫數據。
• DatagramChannel：能通過UDP讀寫網絡中的數據。
• SocketChannel：能通過TCP讀寫網絡中的數據。
• ServerSocketChannel：可以監聽新進來的TCP連接，像Web服務器那樣。對每一個新進來的連接都會創建一個SocketChannel。

正如你所看到的，這些通道涵蓋了UDP 和 TCP 網絡IO，以及文件IO。 

　　2)通道API

　　1.文件通道ＡＰＩ

　　FileChannel類可以實現常用的read，write以及scatter/gather操作，同時它也提供了很多專用於文件的新方法。這些方法中的許多都是我們所熟悉的文件操作。

　　FileChannel類的JDK源碼：

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);
    }　

　　文件通道總是阻塞式的，因此不能被置於非阻塞模式。現代操作系統都有復雜的緩存和預取機制，使得本地磁盤I/O操作延遲很少。網絡文件系統一般而言延遲會多些，不過卻也因該優化而受益。面向流的I/O的非阻塞范例對於面向文件的操作並無多大意義，這是由文件I/O本質上的不同性質造成的。對於文件I/O，最強大之處在於異步I/O（asynchronous I/O），它允許一個進程可以從操作系統請求一個或多個I/O操作而不必等待這些操作的完成。發起請求的進程之后會收到它請求的I/O操作已完成的通知。

　　FileChannel對象是線程安全（thread-safe）的。多個進程可以在同一個實例上並發調用方法而不會引起任何問題，不過並非所有的操作都是多線程的（multithreaded）。影響通道位置或者影響文件大小的操作都是單線程的（single-threaded）。如果有一個線程已經在執行會影響通道位置或文件大小的操作，那么其他嘗試進行此類操作之一的線程必須等待。並發行為也會受到底層的操作系統或文件系統影響。

　　每個FileChannel對象都同一個文件描述符（file descriptor）有一對一的關系，所以上面列出的API方法與在您最喜歡的POSIX（可移植操作系統接口）兼容的操作系統上的常用文件I/O系統調用緊密對應也就不足為怪了。本質上講，RandomAccessFile類提供的是同樣的抽象內容。在通道出現之前，底層的文件操作都是通過RandomAccessFile類的方法來實現的。FileChannel模擬同樣的I/O服務，因此它的API自然也是很相似的。

　　三者之間的方法對比：

　　

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通道類可以運行非阻塞模式並且是可選擇的。這兩個性能可以激活大程序（如網絡服務器和中間件組件）巨大的可伸縮性和靈活性。本節中我們會看到，再也沒有為每個socket連接使用一個線程的必要了，也避免了管理大量線程所需的上下文交換總開銷。借助新的NIO類，一個或幾個線程就可以管理成百上千的活動socket連接了並且只有很少甚至可能沒有性能損失。所有的socket通道類(DatagramChannel、SocketChannel和ServerSocketChannel)都繼承了位於java.nio.channels.spi包中的AbstractSelectableChannel。這意味着我們可以用一個Selector對象來執行socket通道的就緒選擇（readiness selection）。

　　請注意DatagramChannel和SocketChannel實現定義讀和寫功能的接口而ServerSocketChannel不實現。ServerSocketChannel負責監聽傳入的連接和創建新的SocketChannel對象，它本身從不傳輸數據。

　　在我們具體討論每一種socket通道前，您應該了解socket和socket通道之間的關系。之前的章節中有寫道，通道是一個連接I/O服務導管並提供與該服務交互的方法。就某個socket而言，它不會再次實現與之對應的socket通道類中的socket協議API，而java.net中已經存在的socket通道都可以被大多數協議操作重復使用。

　　全部socket通道類（DatagramChannel、SocketChannel和ServerSocketChannel）在被實例化時都會創建一個對等socket對象。這些是我們所熟悉的來自java.net的類（Socket、ServerSocket和DatagramSocket），它們已經被更新以識別通道。對等socket可以通過調用socket( )方法從一個通道上獲取。此外，這三個java.net類現在都有getChannel( )方法。

　　Socket通道將與通信協議相關的操作委托給相應的socket對象。socket的方法看起來好像在通道類中重復了一遍，但實際上通道類上的方法會有一些新的或者不同的行為。

　　要把一個socket通道置於非阻塞模式，我們要依靠所有socket通道類的公有超級類：SelectableChannel。就緒選擇（readiness selection）是一種可以用來查詢通道的機制，該查詢可以判斷通道是否准備好執行一個目標操作，如讀或寫。非阻塞I/O和可選擇性是緊密相連的，那也正是管理阻塞模式的API代碼要在SelectableChannel超級類中定義的原因。

　　設置或重新設置一個通道的阻塞模式是很簡單的，只要調用configureBlocking( )方法即可，傳遞參數值為true則設為阻塞模式，參數值為false值設為非阻塞模式。真的，就這么簡單！您可以通過調用isBlocking( )方法來判斷某個socket通道當前處於哪種模式。

　　非阻塞socket通常被認為是服務端使用的，因為它們使同時管理很多socket通道變得更容易。但是，在客戶端使用一個或幾個非阻塞模式的socket通道也是有益處的，例如，借助非阻塞socket通道，GUI程序可以專注於用戶請求並且同時維護與一個或多個服務器的會話。在很多程序上，非阻塞模式都是有用的。

　　偶爾地，我們也會需要防止socket通道的阻塞模式被更改。API中有一個blockingLock( )方法，該方法會返回一個非透明的對象引用。返回的對象是通道實現修改阻塞模式時內部使用的。只有擁有此對象的鎖的線程才能更改通道的阻塞模式。

2.2.1 ServerSocketChannel
讓我們從最簡單的ServerSocketChannel來開始對socket通道類的討論。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是一個基於通道的socket監聽器。它同我們所熟悉的java.net.ServerSocket執行相同的基本任務，不過它增加了通道語義，因此能夠在非阻塞模式下運行。

由於ServerSocketChannel沒有bind( )方法，因此有必要取出對等的socket並使用它來綁定到一個端口以開始監聽連接。我們也是使用對等ServerSocket的API來根據需要設置其他的socket選項。

同它的對等體java.net.ServerSocket一樣，ServerSocketChannel也有accept( )方法。一旦您創建了一個ServerSocketChannel並用對等socket綁定了它，然后您就可以在其中一個上調用accept( )。如果您選擇在ServerSocket上調用accept( )方法，那么它會同任何其他的ServerSocket表現一樣的行為：總是阻塞並返回一個java.net.Socket對象。如果您選擇在ServerSocketChannel上調用accept( )方法則會返回SocketChannel類型的對象，返回的對象能夠在非阻塞模式下運行。

如果以非阻塞模式被調用，當沒有傳入連接在等待時，ServerSocketChannel.accept( )會立即返回null。正是這種檢查連接而不阻塞的能力實現了可伸縮性並降低了復雜性。可選擇性也因此得到實現。我們可以使用一個選擇器實例來注冊一個ServerSocketChannel對象以實現新連接到達時自動通知的功能。以下代碼演示了如何使用一個非阻塞的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

下面開始學習SocketChannel，它是使用最多的socket通道類：

Java NIO中的SocketChannel是一個連接到TCP網絡套接字的通道。可以通過以下2種方式創建SocketChannel：

1. 打開一個SocketChannel並連接到互聯網上的某台服務器。
2. 一個新連接到達ServerSocketChannel時，會創建一個SocketChannel。

打開 SocketChannel

下面是SocketChannel的打開方式：

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

關閉 SocketChannel

當用完SocketChannel之后調用SocketChannel.close()關閉SocketChannel：

socketChannel.close();　　

從 SocketChannel 讀取數據

要從SocketChannel中讀取數據，調用一個read()的方法之一。以下是例子：

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

　　首先，分配一個Buffer。從SocketChannel讀取到的數據將會放到這個Buffer中。然后，調用SocketChannel.read()。該方法將數據從SocketChannel 讀到Buffer中。read()方法返回的int值表示讀了多少字節進Buffer里。如果返回的是-1，表示已經讀到了流的末尾（連接關閉了）。

寫入 SocketChannel

寫數據到SocketChannel用的是SocketChannel.write()方法，該方法以一個Buffer作為參數。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()方法的調用是在一個while循環中的。Write()方法無法保證能寫多少字節到SocketChannel。所以，我們重復調用write()直到Buffer沒有要寫的字節為止。

非阻塞模式

可以設置 SocketChannel 為非阻塞模式（non-blocking mode）.設置之后，就可以在異步模式下調用connect(), read() 和write()了。

connect()

如果SocketChannel在非阻塞模式下，此時調用connect()，該方法可能在連接建立之前就返回了。為了確定連接是否建立，可以調用finishConnect()的方法。像這樣：

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()方法在尚未寫出任何內容時可能就返回了。所以需要在循環中調用write()。前面已經有例子了，這里就不贅述了。

read()

非阻塞模式下,read()方法在尚未讀取到任何數據時可能就返回了。所以需要關注它的int返回值，它會告訴你讀取了多少字節。

非阻塞模式與選擇器

非阻塞模式與選擇器搭配會工作的更好，通過將一或多個SocketChannel注冊到Selector，可以詢問選擇器哪個通道已經准備好了讀取，寫入等。Selector與SocketChannel的搭配使用會在后面詳講。

2.2.3 DatagramChannel
最后一個socket通道是DatagramChannel。正如SocketChannel對應Socket，ServerSocketChannel對應ServerSocket，每一個DatagramChannel對象也有一個關聯的DatagramSocket對象。不過原命名模式在此並未適用：“DatagramSocketChannel”顯得有點笨拙，因此采用了簡潔的“DatagramChannel”名稱。

正如SocketChannel模擬連接導向的流協議（如TCP/IP），DatagramChannel則模擬包導向的無連接協議（如UDP/IP）。

DatagramChannel是無連接的。每個數據報（datagram）都是一個自包含的實體，擁有它自己的目的地址及不依賴其他數據報的數據負載。與面向流的的socket不同，DatagramChannel可以發送單獨的數據報給不同的目的地址。同樣，DatagramChannel對象也可以接收來自任意地址的數據包。每個到達的數據報都含有關於它來自何處的信息（源地址）。

最后給出一個基本的channel實例：

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = inChannel.read(buf);
//讀取的字節數，可能為零，如果該通道已到達流的末尾，則返回 -1
while (bytesRead != -1) { System.out.println("Read " + bytesRead);
buf.flip();
//反轉緩沖區
while(buf.hasRemaining()){
System.out.print((char) buf.get());
//讀取此緩沖區當前位置的字節，然后該位置遞增。
} buf.clear();
bytesRead = inChannel.read(buf);
//從緩沖區讀取數據
} aFile.close();

引用鏈接：感謝文章內容的原創作者;

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/