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Java NIO学习系列二：Channel

　　上文总结了Java NIO中的Buffer相关知识点，本文中我们来总结一下它的好兄弟：Channel。上文有说到，Java NIO中的Buffer一般和Channel配对使用，NIO中的所有IO都起始于一个Channel，一个Channel就相当于一个流，，可以从Channel中读取数据到Buffer，或者写数据到Channel中。

　　Channel简介

　　FileChannel

　　SocketChannel

　　ServerSocketChannel

　　DatagramChannel

　　总结

1. Channel简介

　　Java NIO中的Channel类似流，但是有一些不同：

  • Channel既可以支持写也可以支持读，而流则是单向的，只能支持写或者读；
  • Channel支持异步读写；
  • Channel一般和Buffer配套使用，从Channel中读取数据到Buffer中，或从Buffer写入到Channel中；

　　Channel的主要实现类有如下几种：

  • FileChannel，可以对文件读/写数据；
  • DatagramChannel，通过UDP从网络读/写数据；
  • SocketChannel，通过TCP从网络读/写数据；
  • ServerSocketChannel，允许你监听TCP连接，对于每个TCP连接都创建一个SocketChannel；

2. FileChannel

　　Java NIO FileChannel是一类文件相连的channel，通过它可以从文件读取数据，或向文件写数据。FileChannel类是Java NIO类库提供的用于代替标准Java IO API来读写文件。FileChannel不能设置为非阻塞模式，只能工作在阻塞模式下。

2.1 打开FileChannel

  在使用FileChannel之前先要打开它，就I/O类库中有三个类被修改了，用以产生FileChannel，这三个类是：InputStream、OutputStream、RandomAccessFile，如下是如何从RandomAccessFile获取FileChannel：

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

2.2 从FileChannel读取数据

  首先需要分配一个Buffer，从FileChannel读取的数据会读到Buffer中(是不是有点绕)。然后调用FileChannel的read()方法来读数据，这个方法会把数据读到Buffer中，返回的int代表读取了多少字节，返回-1代表文件末尾。

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

2.3 往FileChannel写数据

  通过调用FileChannel的write()方法可以往其中写数据，参数是一个Buffer：

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);
}

　　这里write()方法也没有保证一次写入多少数据，我们只是不断重复直到写完。

2.4 关闭FileChannel

　　用完FileChannel之后记得要将其关闭：

channel.close();

2.5 FileChannel位置

  调用FileChannel对象的position()方法可以获取其position，也可以调用position(long pos)设置其position：

// 获取position
long pos channel.position();
// 设置position
channel.position(pos +123);

　　如果将position设置到文件末尾后面，然后尝试读取文件，会返回-1；

  如果将position设置到文件末尾后面，然后尝试向文件中写数据，则文件会自动扩展，并且从设置的position位置处开始写数据，这会导致“file hole”，即物理文件会有间隙。

2.6 FileChannel尺寸

  size()方法返回filechannel连接的文件的尺寸大小：

long fileSize = channel.size();

2.7 截短FileChannel

  truncate()方法可以截短文件：

channel.truncate(1024);

　　如上，将文件截取为1024字节长度。

2.8 FileChannel Force

  FileChannel.force()方法会刷新所有未写入到磁盘的数据到磁盘上。因为操作系统会先将数据缓存到内存中，再一次性写入磁盘，所以不能保证写到channel中的数据是否写入到磁盘上，所以可以调用flush()方法强制将数据写入磁盘。

  force()方法有一个boolean参数，代表是否要写入文件的元数据(比如权限)：

channel.force(true);

3. SocketChannel

　　Java NIO SocketChannel用于和TCP网络socket相连，等同于Java网络包中的Socket。可以通过两种方式来创建一个SocketChannel：

  • 打开一个SocketChannel并且将其和网络上的某台服务器相连；
  • 当有一个连接到达一个ServerSocketChannel时会自动创建一个SocketChannel；

3.1 打开Socket通道

  如下示例说明了如何打开一个SocketChannel：

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

3.2 关闭Socket通道

  对于这种资源类的使用，是要记得及时关闭的：

socketChannel.close();

3.3 从Socket通道读数据

  调用read()方法可以读取数据：

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

3.4 往Socket通道写数据

  调用其写方法write()可以向其中写数据，使用一个Buffer作为其参数：

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);
}

3.5 工作在非阻塞模式下

  可以将SocketChannel设置为非阻塞模式，设置之后可以异步地调用其connect()、read()和write()方法。

connect()

  对于处于非阻塞模式下的SocketChannel，调用其connect()方法之后会立即返回，即使没有成功建立连接。可以调用finishConnect()方法来获知是否成功建立连接：

socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("http://jenkov.com", 80));
while(! socketChannel.finishConnect() ){
    //wait, or do something else...
}

write()

  对于处于非阻塞模式的SocketChannel，调用其write()也会返回，但是可能还没有写入数据。因此你需要在一个循环中调用它，就像前面的例子中看到的那样。

read()

  对于处于非阻塞模式的SocketChannel，调用其read()有可能出现返回int值，但是还没有任何数据读入到buffer中。因此需要关注返回int值，这个可以告诉我们有多少数据是已经读取的。

非阻塞模式下和Selectors一起工作

  非阻塞模式下的SocketChannel适合和Selector一起搭配使用。通过往Selector中注册一个或多个SocketChannel，可以通过Selector选择已经就绪的Channel。具体使用稍后会详述。

4. ServerSocketChannel

　　Java NIO ServerSocketChannel可以监听TCP连接，就像标准Java网络库中的ServerSocket。

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    //do something with socketChannel...
}

4.1 打开ServerSocketChannel

  很简单，调用其open()方法就可以开启一个ServerSocketChannel：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

4.2 关闭ServerSocketChannel

serverSocketChannel.close();

4.3 监听连接

  调用其accept()方法之后可以监听连接。在一个新的连接到来之前，都处于阻塞状态，一旦新的连接到来，accept()方法将返回一个和这个连接对应的SocketChannel。

  将其放在一个while循环中就可以不断监听新的连接：

while(true){
    SocketChannel socketChannel =
            serverSocketChannel.accept();
    //do something with socketChannel...
}

　　当然实际中while循环应该使用其他的判断条件而不是true。

4.4 工作在非阻塞模式下

  ServerSocketChannel同样可设置为非阻塞模式，此时调用其accept()会立即返回，如果没有新的连接可能返回null，需要对返回值是否为空进行校验：

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...
        }
}

5. DatagramChannel

　　DatagramChannel用于发送和接收UDP包。因为UDP是一个无连接协议，不是像其他channel一样进行读写操作，而是通过数据包来交换数据。

5.1 打开DatagramChannel

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));

　　这个例子中打开了一个DatagramChannel，可以通过端口9999接收UDP数据包。

5.2 接收数据

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

　　调用DatagramChannel的receive()方法可以将接收到的数据包中的数据复制到指定的Buffer中。如果收到的数据大于Buffer容量，默认将其抛弃。

5.3 发送数据

String newData = "New String to write to file..."
                    + System.currentTimeMillis();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();
int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));

　　在这个例子中是向“jenkov.com”服务器的80端口发送UDP数据包。因为UDP不保证数据传输，所以也不会知道发送的数据包是否被收到。

5.4 连接到指定地址

　　可以将DatagramChannel“连接”到一个指定的网络地址。因为UDP协议是无连接的，所以通过这种方式创建连接并不会像基于TCP的channel那样创建一个真实的连接。但是，这样可以“锁定”这个DatagramChannel，使得它只能和一个指定的ip地址交换数据。

channel.connect(new InetSocketAddress("jenkov.com", 80));

　　在这种情况下(锁定)，也可以像其他Channel那样调用read()和write()方法，只不过不能够保证数据一定能够收到。

int bytesRead = channel.read(buf);
int bytesWritten = channel.write(buf);

6. 总结

　　本文主要总结了Channel的相关知识，Channel是通道，和Buffer进行交互数据，可以读数据到Buffer中，也可以从Buffer往Channel写数据。Channel主要有下面几种：

  • FileChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel
  • DatagramChannel

　　其中FileChannel是和文件交互、SocketChannel和ServerSocketChannel是基于TCP的网络Channel，DatagramChannel是基于UDP的网络Channel。

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