Java NIO 之 Channel（通道）

歷史回顧:

Java NIO 概覽

Java NIO 之 Buffer(緩沖區)

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一 Channel（通道）介紹

通常來說NIO中的所有IO都是從 Channel（通道） 開始的。

• 從通道進行數據讀取 ：創建一個緩沖區，然后請求通道讀取數據。

• 從通道進行數據寫入 ：創建一個緩沖區，填充數據，並要求通道寫入數據。

數據讀取和寫入操作圖示：

Java NIO Channel通道和流非常相似，主要有以下幾點區別：

• 通道可以讀也可以寫，流一般來說是單向的（只能讀或者寫，所以之前我們用流進行IO操作的時候需要分別創建一個輸入流和一個輸出流）。
• 通道可以異步讀寫。
• 通道總是基於緩沖區Buffer來讀寫。

Java NIO中最重要的幾個Channel的實現：

• FileChannel： 用於文件的數據讀寫
• DatagramChannel： 用於UDP的數據讀寫
• SocketChannel： 用於TCP的數據讀寫，一般是客戶端實現
• ServerSocketChannel: 允許我們監聽TCP鏈接請求，每個請求會創建會一個SocketChannel，一般是服務器實現

類層次結構：

下面的UML圖使用Idea生成的。

二 FileChannel的使用

使用FileChannel讀取數據到Buffer（緩沖區）以及利用Buffer（緩沖區）寫入數據到FileChannel：

package filechannel;

import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class FileChannelTxt {
    public static void main(String args[]) throws IOException {
        //1.創建一個RandomAccessFile（隨機訪問文件）對象，
        RandomAccessFile raf=new RandomAccessFile("D:\\niodata.txt", "rw");
        //通過RandomAccessFile對象的getChannel()方法。FileChannel是抽象類。
        FileChannel inChannel=raf.getChannel();
        //2.創建一個讀數據緩沖區對象
        ByteBuffer buf=ByteBuffer.allocate(48);
        //3.從通道中讀取數據
        int bytesRead = inChannel.read(buf);
        //創建一個寫數據緩沖區對象
        ByteBuffer buf2=ByteBuffer.allocate(48);
        //寫入數據
        buf2.put("filechannel test".getBytes());
        buf2.flip();
        inChannel.write(buf);
        while (bytesRead != -1) {

            System.out.println("Read " + bytesRead);
            //Buffer有兩種模式，寫模式和讀模式。在寫模式下調用flip()之后，Buffer從寫模式變成讀模式。
            buf.flip();
           //如果還有未讀內容
            while (buf.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) buf.get());
            }
            //清空緩存區
            buf.clear();
            bytesRead = inChannel.read(buf);
        }
        //關閉RandomAccessFile（隨機訪問文件）對象
        raf.close();
    }
}

運行效果：

通過上述實例代碼，我們可以大概總結出FileChannel的一般使用規則：

1. 開啟FileChannel

使用之前，FileChannel必須被打開 ，但是你無法直接打開FileChannel（FileChannel是抽象類）。需要通過 InputStream ， OutputStream 或 RandomAccessFile 獲取FileChannel。

我們上面的例子是通過RandomAccessFile打開FileChannel的：

        //1.創建一個RandomAccessFile（隨機訪問文件）對象，
        RandomAccessFile raf=new RandomAccessFile("D:\\niodata.txt", "rw");
        //通過RandomAccessFile對象的getChannel()方法。FileChannel是抽象類。
        FileChannel inChannel=raf.getChannel();

2. 從FileChannel讀取數據/寫入數據

從FileChannel中讀取數據/寫入數據之前首先要創建一個Buffer（緩沖區）對象，Buffer（緩沖區）對象的使用我們在上一篇文章中已經詳細說明了，如果不了解的話可以看我的上一篇關於Buffer的文章。

使用FileChannel的read()方法讀取數據：

        //2.創建一個讀數據緩沖區對象
        ByteBuffer buf=ByteBuffer.allocate(48);
        //3.從通道中讀取數據
        int bytesRead = inChannel.read(buf);

使用FileChannel的write()方法寫入數據：

        //創建一個寫數據緩沖區對象
        ByteBuffer buf2=ByteBuffer.allocate(48);
        //寫入數據
        buf2.put("filechannel test".getBytes());
        buf2.flip();
        inChannel.write(buf);

3. 關閉FileChannel

完成使用后，FileChannel您必須關閉它。

channel.close（）;    

三 SocketChannel和ServerSocketChannel的使用

利用SocketChannel和ServerSocketChannel實現客戶端與服務器端簡單通信：

SocketChannel 用於創建基於tcp協議的客戶端對象，因為SocketChannel中不存在accept()方法，所以，它不能成為一個服務端程序。通過 connect()方法 ，SocketChannel對象可以連接到其他tcp服務器程序。

客戶端:

package socketchannel;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class WebClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1.通過SocketChannel的open()方法創建一個SocketChannel對象
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        //2.連接到遠程服務器（連接此通道的socket）
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 3333));
        // 3.創建寫數據緩存區對象
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
        writeBuffer.put("hello WebServer this is from WebClient".getBytes());
        writeBuffer.flip();
        socketChannel.write(writeBuffer);
        //創建讀數據緩存區對象
        ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
        socketChannel.read(readBuffer);
        //String 字符串常量，不可變；StringBuffer 字符串變量（線程安全），可變；StringBuilder 字符串變量（非線程安全），可變
        StringBuilder stringBuffer=new StringBuilder();
        //4.將Buffer從寫模式變為可讀模式
        readBuffer.flip();
        while (readBuffer.hasRemaining()) {
            stringBuffer.append((char) readBuffer.get());
        }
        System.out.println("從服務端接收到的數據："+stringBuffer);

        socketChannel.close();
    }

}

ServerSocketChannel 允許我們監聽TCP鏈接請求，通過ServerSocketChannelImpl的 accept()方法 可以創建一個SocketChannel對象用戶從客戶端讀/寫數據。

服務端：

package socketchannel;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class WebServer {
    public static void main(String args[]) throws IOException {
        try {
            //1.通過ServerSocketChannel 的open()方法創建一個ServerSocketChannel對象，open方法的作用：打開套接字通道
            ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
            //2.通過ServerSocketChannel綁定ip地址和port(端口號)
            ssc.socket().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 3333));
            //通過ServerSocketChannelImpl的accept()方法創建一個SocketChannel對象用戶從客戶端讀/寫數據
            SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
            //3.創建寫數據的緩存區對象
            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
            writeBuffer.put("hello WebClient this is from WebServer".getBytes());
            writeBuffer.flip();
            socketChannel.write(writeBuffer);
            //創建讀數據的緩存區對象
            ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
            //讀取緩存區數據
            socketChannel.read(readBuffer);
            StringBuilder stringBuffer=new StringBuilder();
            //4.將Buffer從寫模式變為可讀模式
            readBuffer.flip();
            while (readBuffer.hasRemaining()) {
                stringBuffer.append((char) readBuffer.get());
            }
            System.out.println("從客戶端接收到的數據："+stringBuffer);
            socketChannel.close();
            ssc.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

運行效果：

客戶端：

服務端：

通過上述實例代碼，我們可以大概總結出SocketChannel和ServerSocketChannel的使用的一般使用規則：

考慮到篇幅問題，下面只給出大致步驟，不貼代碼，可以結合上述實例理解。

客戶端

1.通過SocketChannel連接到遠程服務器

2.創建讀數據/寫數據緩沖區對象來讀取服務端數據或向服務端發送數據

3.關閉SocketChannel

服務端

1.通過ServerSocketChannel 綁定ip地址和端口號

2.通過ServerSocketChannelImpl的accept()方法創建一個SocketChannel對象用戶從客戶端讀/寫數據

3.創建讀數據/寫數據緩沖區對象來讀取客戶端數據或向客戶端發送數據

4. 關閉SocketChannel和ServerSocketChannel

四 ️DatagramChannel的使用

DataGramChannel，類似於java 網絡編程的DatagramSocket類；使用UDP進行網絡傳輸， UDP是無連接，面向數據報文段的協議，對傳輸的數據不保證安全與完整 ；和上面介紹的SocketChannel和ServerSocketChannel的使用方法類似，所以這里就簡單介紹一下如何使用。

1.獲取DataGramChannel

        //1.通過DatagramChannel的open()方法創建一個DatagramChannel對象
        DatagramChannel datagramChannel = DatagramChannel.open();
        //綁定一個port（端口）
        datagramChannel.bind(new InetSocketAddress(1234));

上面代碼表示程序可以在1234端口接收數據報。

2.接收/發送消息

接收消息：

先創建一個緩存區對象，然后通過receive方法接收消息，這個方法返回一個SocketAddress對象，表示發送消息方的地址：

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

發送消息：

由於UDP下，服務端和客戶端通信並不需要建立連接，只需要知道對方地址即可發出消息，但是是否發送成功或者成功被接收到是沒有保證的;發送消息通過send方法發出，改方法返回一個int值，表示成功發送的字節數：

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put("datagramchannel".getBytes());
buf.flip();
int send = channel.send(buffer, new InetSocketAddress("localhost",1234));

這個例子發送一串字符：“datagramchannel”到主機名為”localhost”服務器的端口1234上。

五 Scatter / Gather

Channel 提供了一種被稱為 Scatter/Gather 的新功能，也稱為本地矢量 I/O。Scatter/Gather 是指在多個緩沖區上實現一個簡單的 I/O 操作。正確使用 Scatter / Gather可以明顯提高性能。

大多數現代操作系統都支持本地矢量I/O（native vectored I/O）操作。當您在一個通道上請求一個Scatter/Gather操作時，該請求會被翻譯為適當的本地調用來直接填充或抽取緩沖區，減少或避免了緩沖區拷貝和系統調用；

Scatter/Gather應該使用直接的ByteBuffers以從本地I/O獲取最大性能優勢。

Scatter/Gather功能是通道(Channel)提供的 並不是Buffer。

• Scatter: 從一個Channel讀取的信息分散到N個緩沖區中(Buufer).

• Gather: 將N個Buffer里面內容按照順序發送到一個Channel.

Scattering Reads

“scattering read”是把數據從單個Channel寫入到多個buffer,如下圖所示：

示例代碼：

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);

ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };

channel.read(bufferArray);

read()方法內部會負責把數據按順序寫進傳入的buffer數組內。一個buffer寫滿后，接着寫到下一個buffer中。

舉個例子，假如通道中有200個字節數據，那么header會被寫入128個字節數據，body會被寫入72個字節數據；

注意：

無論是scatter還是gather操作，都是按照buffer在數組中的順序來依次讀取或寫入的；

Gathering Writes

“gathering write”把多個buffer的數據寫入到同一個channel中，下面是示意圖：

示例代碼：

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);

//write data into buffers

ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };

channel.write(bufferArray);

write()方法內部會負責把數據按順序寫入到channel中。

注意：

並不是所有數據都寫入到通道，寫入的數據要根據position和limit的值來判斷，只有position和limit之間的數據才會被寫入；

舉個例子，假如以上header緩沖區中有128個字節數據，但此時position=0，limit=58；那么只有下標索引為0-57的數據才會被寫入到通道中。

六 通道之間的數據傳輸

在Java NIO中如果一個channel是FileChannel類型的，那么他可以直接把數據傳輸到另一個channel。
- transferFrom() :transferFrom方法把數據從通道源傳輸到FileChannel
- transferTo() :transferTo方法把FileChannel數據傳輸到另一個channel

參考：

官方JDK相關文檔

谷歌搜索排名第一的Java NIO教程

《Java NIO》

《Java 8編程官方參考教程（第9版）》

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