死磕 NIO— 深入分析Channel和FileChannel
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了死磕 NIO— 深入分析Channel和FileChannel相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
文章首发：https://www.cmsblogs.com/article/1471109724991787008
大家好，我是大明哥，这次我们来看看NIO的第二个组件：Channel。
上篇文章[【死磕 NIO】— 深入分析Buffer]介绍了 NIO 中的 Buffer，Buffer 我们可以认为他是装载数据的容器，有了容器，还需要传输数据的通道才能完成数据的传输，这个通道就是今天要介绍的 Channel。
Channel 我们可以认为它是本地 I/O 设备、网络 I/O 的通信桥梁，只有搭建了这座桥梁，数据才能被写入 Buffer 。
Channel
在 NIO 中，Channel 和 Buffer 是相辅相成的，我们只能从 Channel 读取数据到 Buffer 中，或者从 Buffer 写入数据到 Channle，如下图：
Channel 类似于 OIO 中的流(Stream)，但是又有所区别：
-
流是单向的，但 Channel 是双向的，可读可写。
-
流是阻塞的，但 Channle 可以异步读写。
-
流中的数据可以选择性的先读到缓存中，而 Channel 的数据总是要先读到一个 Buffer 中，或从 Buffer 中写入，如上图。
NIO 中通过 Channel 封装了对数据源的操作，通过 Channel 我们可以操作数据源，但是又不必关注数据源的具体物理结构，这个数据源可以是文件，也可以是socket。
Channel 的接口定义如下：
public interface Channel extends Closeable
public boolean isOpen();
public void close() throws IOException;
Channel 接口仅定义两个方法：
-
isOpen()：Channel 是否打开 -
close()：关闭 Channel
它的主要实现有：
-
FileChannel：文件通道，用于文件的数据读写。
-
SocketChannel：套接字通道，能通过 TCP 读写网络中的数据。
-
ServerSocketChannel：服务器套接字通道，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。
-
DatagramChannel：数据报通道，能通过 UDP 读写网络中的数据。
基本类图如下：
下面就 FileChannel 做详细介绍。
FileChannel
FileChannel 主要是用来读写和映射一个系统文件的 Channel，它是一个抽象类，具体由 FileChannelImpl 来实现。
定义如下：
package java.nio.channels;
public abstract class FileChannel
extends AbstractInterruptibleChannel
implements SeekableByteChannel, GatheringByteChannel, ScatteringByteChannel
/**
* 初始化一个无参构造器.
*/
protected FileChannel()
//打开或创建一个文件，返回一个文件通道来访问文件
public static FileChannel open(Path path,
Set<? extends OpenOption> options,
FileAttribute<?>... attrs)
throws IOException
FileSystemProvider provider = path.getFileSystem().provider();
return provider.newFileChannel(path, options, attrs);
private static final FileAttribute<?>[] NO_ATTRIBUTES = new FileAttribute[0];
//打开或创建一个文件，返回一个文件通道来访问文件
public static FileChannel open(Path path, OpenOption... options)
throws IOException
Set<OpenOption> set = new HashSet<OpenOption>(options.length);
Collections.addAll(set, options);
return open(path, set, NO_ATTRIBUTES);
//从这个通道读入一个字节序列到给定的缓冲区
public abstract int read(ByteBuffer dst) throws IOException;
//从这个通道读入指定开始位置和长度的字节序列到给定的缓冲区
public abstract long read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length)
throws IOException;
/**
* 从这个通道读入一个字节序列到给定的缓冲区
*/
public final long read(ByteBuffer[] dsts) throws IOException
return read(dsts, 0, dsts.length);
/**
* 从给定的缓冲区写入字节序列到这个通道
*/
public abstract int write(ByteBuffer src) throws IOException;
/**
* 从给定缓冲区的子序列向该信道写入字节序列
*/
public abstract long write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length)
throws IOException;
/**
* 从给定的缓冲区写入字节序列到这个通道
*/
public final long write(ByteBuffer[] srcs) throws IOException
return write(srcs, 0, srcs.length);
/**
* 返回通道读写缓冲区中的开始位置
*/
public abstract long position() throws IOException;
/**
* 设置通道读写缓冲区中的开始位置
*/
public abstract FileChannel position(long newPosition) throws IOException;
/**
* 返回此通道文件的当前大小
*/
public abstract long size() throws IOException;
/**
* 通过指定的参数size来截取通道的大小
*/
public abstract FileChannel truncate(long size) throws IOException;
/**
* 强制将通道中的更新文件写入到存储设备（磁盘等）中
*/
public abstract void force(boolean metaData) throws IOException;
/**
* 将当前通道中的文件写入到可写字节通道中
* position就是开始写的位置，long就是写的长度
*/
public abstract long transferTo(long position, long count,
WritableByteChannel target)
throws IOException;
/**
* 将当前通道中的文件写入可读字节通道中
* position就是开始写的位置，long就是写的长度
*/
public abstract long transferFrom(ReadableByteChannel src,
long position, long count)
throws IOException;
/**
* 从通道中读取一系列字节到给定的缓冲区中
* 从指定的读取开始位置position处读取
*/
public abstract int read(ByteBuffer dst, long position) throws IOException;
/**
* 从给定的缓冲区写入字节序列到这个通道
* 从指定的读取开始位置position处开始写
*/
public abstract int write(ByteBuffer src, long position) throws IOException;
// -- Memory-mapped buffers --
/**
* 一个文件映射模式类型安全枚举
*/
public static class MapMode
//只读映射模型
public static final MapMode READ_ONLY
= new MapMode("READ_ONLY");
//读写映射模型
public static final MapMode READ_WRITE
= new MapMode("READ_WRITE");
/**
* 私有模式（复制在写）映射
*/
public static final MapMode PRIVATE
= new MapMode("PRIVATE");
private final String name;
private MapMode(String name)
this.name = name;
/**
* 将该通道文件的一个区域直接映射到内存中
*/
public abstract MappedByteBuffer map(MapMode mode,
long position, long size)
throws IOException;
/**
* 获取当前通道文件的给定区域上的锁
* 区域就是从position处开始，size长度
* shared为true代表获取共享锁，false代表获取独占锁
*/
public abstract FileLock lock(long position, long size, boolean shared)
throws IOException;
/**
* 获取当前通道文件上的独占锁
*/
public final FileLock lock() throws IOException
return lock(0L, Long.MAX_VALUE, false);
/**
* 尝试获取给定的通道文件区域上的锁
* 区域就是从position处开始，size长度
* shared为true代表获取共享锁，false代表获取独占锁
*/
public abstract FileLock tryLock(long position, long size, boolean shared)
throws IOException;
/**
* 尝试获取当前通道文件上的独占锁
*/
public final FileLock tryLock() throws IOException
return tryLock(0L, Long.MAX_VALUE, false);
打开 FileChannel
在使用 FileChannle 之前我们必须要先打开它，但是我们无法直接打开一个 FileChannel，需要通过使用一个 InputStream、OutputStream、RandomAcessFile 来获取一个 FileChannel 实例，如下:
RandomAccessFile accessFile = new RandomAccessFile("/Users/chenssy/Documents/FileChannel.txt","rw");
FileChannel fileChannel = accessFile.getChannel();
调用 getChannel() 即可获取 FileChannel 实例，源码如下：
public final FileChannel getChannel()
synchronized (this)
if (channel == null)
channel = FileChannelImpl.open(fd, path, true, rw, this);
return channel;
getChnnel() 方法很简单，直接调用 FileChannelImpl 的静态方法 open()：
public static FileChannel open(Path path,
Set<? extends OpenOption> options,
FileAttribute<?>... attrs) throws IOException
FileSystemProvider provider = path.getFileSystem().provider();
return provider.newFileChannel(path, options, attrs);
从 FileChannel 读数据
调用 FileChannel 的 read() 方法即可从 FileChannel 中获取数据，当然不是直接获取，而是需要先写入到 Buffer 中，所以调用 read() 之前，我们需要分配一个 Buffer，然后调用 read() ，该方法返回 int 表示有多少数据读取到了 Buffer 中了，如果返回 -1 表示已经到文件末尾了。
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int readCount = fileChannel.read(buffer);
FileChannel 仅定义了方法，具体实现在 FileChannelImpl，如下：
public int read(ByteBuffer dst) throws IOException
ensureOpen();
if (!readable)
throw new NonReadableChannelException();
// 加锁
synchronized (positionLock)
int n = 0;
int ti = -1;
try
begin();
ti = threads.add();
if (!isOpen())
return 0;
do
// 通过IOUtil.read实现
n = IOUtil.read(fd, dst, -1, nd);
while ((n == iostatus.INTERRUPTED) && isOpen());
return IOStatus.normalize(n);
finally
threads.remove(ti);
end(n > 0);
assert IOStatus.check(n);
-
首先确保该 Channel 是打开的
-
然后加锁，主要是因为写入缓冲区需要保证线程安全
-
最后通过
IOUtils.read()实现
static int read(FileDescriptor fd, ByteBuffer dst, long position, NativeDispatcher nd) throws IOException
// 1 申请一块临时堆外DirectByteBuffer
ByteBuffer bb = Util.getTemporaryDirectBuffer(dst.remaining());
try
// 2 先往DirectByteBuffer写入数据，提高效率
int n = readIntoNativeBuffer(fd, bb, position, nd);
bb.flip();
if (n > 0)
// 3 再拷贝到传入的buffer
dst.put(bb);
return n;
finally
Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(bb);
-
首先申请一块临时的堆外 DirectByteBuffer
-
然后先往 DirectByteBuffer 写入数据，因为这样能够提高效率，为什么会提高效率，我们后文分析。
-
最后拷贝到 ByteBuffer 中
写数据到 FileChannel
read()方法是从 FileChannel 中读取数据，那 write()方法则是从 ByteBuffer中读取数据写入到 Channel 中。调用 write() 需要先申请一个 ByteBuffer ，如下:
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
fileChannel.write(buffer);
同样，实现是在 FileChannelImpl 中。
public int write(ByteBuffer src) throws IOException
ensureOpen();
if (!writable)
throw new NonWritableChannelException();
synchronized (positionLock)
int n = 0;
int ti = -1;
try
begin();
ti = threads.add();
if (!isOpen())
return 0;
do
n = IOUtil.write(fd, src, -1, nd);
while ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen());
return IOStatus.normalize(n);
finally
threads.remove(ti);
end(n > 0);
assert IOStatus.check(n);
与 read() 方法实现一模一样，先确定该 Channel 是打开的，然后加锁，最后调用 IOUtil 的 write() 。
static int write(FileDescriptor fd, ByteBuffer src, long position, NativeDispatcher nd)
throws IOException
if (src instanceof DirectBuffer)
return writeFromNativeBuffer(fd, src, position, nd);
int pos = src.position();
int lim = src.limit();
assert (pos <= lim);
int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);
// 2 否则构造一块跟传入缓冲区一样大小的DirectBuffer
ByteBuffer bb = Util.getTemporaryDirectBuffer(rem);
try
bb.put(src);
bb.flip();
src.position(pos);
// 3 调用writeFromNativeBuffer读取
int n = writeFromNativeBuffer(fd, bb, position, nd);
if (n > 0)
// now update src
src.position(pos + n);
return n;
finally
Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(bb);
-
首先判断传入的 Buffer 是否为 DirectBuffer，如果是的话，就直接写入
-
否则则构造一块跟传入 Buffer 一样大小的 DirectBuffer
-
最后调用
writeFromNativeBuffer()
关闭 FileChannel
保持好习惯，用完了一定要记得关闭：close()。
public final void close() throws IOException
synchronized (closeLock)
if (!open)
return;
open = false;
implCloseChannel();
调用 implCloseChannel() 释放 Channel。
protected void implCloseChannel() throws IOException
// 释放文件锁
if (fileLockTable != null)
for (FileLock fl: fileLockTable.removeAll())
synchronized (fl)
if (fl.isValid())
//释放锁
nd.release(fd, fl.position(), fl.size());
((FileLockImpl)fl).invalidate();
// 通知当前通道所有被阻塞线程
threads.signalAndWait();
if (parent != null)
((java.io.Closeable)parent).close();
else
nd.close(fd);
关闭 FileChannel 时，需要释放所有锁和文件流。
示例
读数据
public static void main(String[] args) throws Exception
RandomAccessFile accessFile = new RandomAccessFile("/Users/chenssy/Documents/FileChannel.txt","rw");
FileChannel fileChannel = accessFile.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
fileChannel.read(buffer);
System.out.println(new String(buffer.array()));
fileChannel.close();
运行结果：
写数据
public static void main(String[] args) throws Exception
String fileContent = "这是 chenssy 的 死磕 Java 系列中的文章....";
RandomAccessFile accessFile = new RandomAccessFile("/Users/chenssy/Documents/FileChannel.txt",以上是关于死磕 NIO— 深入分析Channel和FileChannel的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
死磕 NIO— 深入分析Channel和FileChannel
死磕 NIO— 深入分析Channel和FileChannel