Java NIO 之 Channel（通道）

Posted 2022-11-24 worldchinalee

一 Channel（通道）介绍

通常来说NIO中的所有IO都是从 Channel（通道） 开始的。

• 从通道进行数据读取 ：创建一个缓冲区，然后请求通道读取数据。

• 从通道进行数据写入 ：创建一个缓冲区，填充数据，并要求通道写入数据。

数据读取和写入操作图示：

Java NIO Channel通道和流非常相似，主要有以下几点区别：

• 通道可以读也可以写，流一般来说是单向的（只能读或者写，所以之前我们用流进行IO操作的时候需要分别创建一个输入流和一个输出流）。

• 通道可以异步读写。

• 通道总是基于缓冲区Buffer来读写。

Java NIO中最重要的几个Channel的实现：

• FileChannel： 用于文件的数据读写

• DatagramChannel： 用于UDP的数据读写

• SocketChannel： 用于TCP的数据读写，一般是客户端实现

• ServerSocketChannel: 允许我们监听TCP链接请求，每个请求会创建会一个SocketChannel，一般是服务器实现

类层次结构：

下面的UML图使用Idea生成的。

二 FileChannel的使用

使用FileChannel读取数据到Buffer（缓冲区）以及利用Buffer（缓冲区）写入数据到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.创建一个RandomAccessFile（随机访问文件）对象，
     RandomAccessFile raf=new RandomAccessFile("D:\\\\niodata.txt", "rw");
     //通过RandomAccessFile对象的getChannel()方法。FileChannel是抽象类。
     FileChannel inChannel=raf.getChannel();
     //2.创建一个读数据缓冲区对象
     ByteBuffer buf=ByteBuffer.allocate(48);
     //3.从通道中读取数据
     int bytesRead = inChannel.read(buf);
     //创建一个写数据缓冲区对象
     ByteBuffer buf2=ByteBuffer.allocate(48);
     //写入数据
     buf2.put("filechannel test".getBytes());
     buf2.flip();
     inChannel.write(buf);
     while (bytesRead != -1) 

       System.out.println("Read " + bytesRead);
       //Buffer有两种模式，写模式和读模式。在写模式下调用flip()之后，Buffer从写模式变成读模式。
       buf.flip();
      //如果还有未读内容
       while (buf.hasRemaining()) 
         System.out.print((char) buf.get());
       
       //清空缓存区
       buf.clear();
       bytesRead = inChannel.read(buf);
     
     //关闭RandomAccessFile（随机访问文件）对象
     raf.close();
   

运行效果：

通过上述实例代码，我们可以大概总结出FileChannel的一般使用规则：

1. 开启FileChannel

使用之前，FileChannel必须被打开 ，但是你无法直接打开FileChannel（FileChannel是抽象类）。需要通过 InputStream ， OutputStream 或 RandomAccessFile 获取FileChannel。

我们上面的例子是通过RandomAccessFile打开FileChannel的：

//1.创建一个RandomAccessFile（随机访问文件）对象，

RandomAccessFile raf=new RandomAccessFile("D:\\\\niodata.txt", "rw");

//通过RandomAccessFile对象的getChannel()方法。FileChannel是抽象类。

FileChannel inChannel=raf.getChannel();

2. 从FileChannel读取数据/写入数据

从FileChannel中读取数据/写入数据之前首先要创建一个Buffer（缓冲区）对象，Buffer（缓冲区）对象的使用我们在上一篇文章中已经详细说明了，如果不了解的话可以看我的上一篇关于Buffer的文章。

使用FileChannel的read()方法读取数据：

//2.创建一个读数据缓冲区对象
ByteBuffer buf=ByteBuffer.allocate(48);

//3.从通道中读取数据
int bytesRead = inChannel.read(buf);

使用FileChannel的write()方法写入数据：

//创建一个写数据缓冲区对象
ByteBuffer buf2=ByteBuffer.allocate(48);

//写入数据
buf2.put("filechannel test".getBytes());
buf2.flip();
inChannel.write(buf);

3. 关闭FileChannel

完成使用后，FileChannel您必须关闭它。

channel.close（）;  

三 SocketChannel和ServerSocketChannel的使用

利用SocketChannel和ServerSocketChannel实现客户端与服务器端简单通信：

SocketChannel 用于创建基于tcp协议的客户端对象，因为SocketChannel中不存在accept()方法，所以，它不能成为一个服务端程序。通过 connect()方法 ，SocketChannel对象可以连接到其他tcp服务器程序。

客户端:

 

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.通过SocketChannel的open()方法创建一个SocketChannel对象
     SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
     //2.连接到远程服务器（连接此通道的socket）
     socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 3333));
     // 3.创建写数据缓存区对象
     ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
     writeBuffer.put("hello WebServer this is from WebClient".getBytes());
     writeBuffer.flip();
     socketChannel.write(writeBuffer);
     //创建读数据缓存区对象
     ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
     socketChannel.read(readBuffer);
     //String 字符串常量，不可变；StringBuffer 字符串变量（线程安全），可变；StringBuilder 字符串变量（非线程安全），可变
     StringBuilder stringBuffer=new StringBuilder();
     //4.将Buffer从写模式变为可读模式
     readBuffer.flip();
     while (readBuffer.hasRemaining()) 
       stringBuffer.append((char) readBuffer.get());
     
     System.out.println("从服务端接收到的数据："+stringBuffer);

    socketChannel.close();
  

ServerSocketChannel 允许我们监听TCP链接请求，通过ServerSocketChannelImpl的 accept()方法 可以创建一个SocketChannel对象用户从客户端读/写数据。

服务端：

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.通过ServerSocketChannel 的open()方法创建一个ServerSocketChannel对象，open方法的作用：打开套接字通道
       ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
       //2.通过ServerSocketChannel绑定ip地址和port(端口号)
       ssc.socket().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 3333));
       //通过ServerSocketChannelImpl的accept()方法创建一个SocketChannel对象用户从客户端读/写数据
       SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
       //3.创建写数据的缓存区对象
       ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
       writeBuffer.put("hello WebClient this is from WebServer".getBytes());
       writeBuffer.flip();
       socketChannel.write(writeBuffer);
       //创建读数据的缓存区对象
       ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
       //读取缓存区数据
       socketChannel.read(readBuffer);
       StringBuilder stringBuffer=new StringBuilder();
       //4.将Buffer从写模式变为可读模式
       readBuffer.flip();
       while (readBuffer.hasRemaining()) 
         stringBuffer.append((char) readBuffer.get());
       
       System.out.println("从客户端接收到的数据："+stringBuffer);
       socketChannel.close();
       ssc.close();
      catch (IOException e) 
       e.printStackTrace();
     
   

运行效果：

客户端：

服务端：

通过上述实例代码，我们可以大概总结出SocketChannel和ServerSocketChannel的使用的一般使用规则：

考虑到篇幅问题，下面只给出大致步骤，不贴代码，可以结合上述实例理解。

客户端

1.通过SocketChannel连接到远程服务器

2.创建读数据/写数据缓冲区对象来读取服务端数据或向服务端发送数据

3.关闭SocketChannel

服务端

1.通过ServerSocketChannel 绑定ip地址和端口号

2.通过ServerSocketChannelImpl的accept()方法创建一个SocketChannel对象用户从客户端读/写数据

3.创建读数据/写数据缓冲区对象来读取客户端数据或向客户端发送数据

4. 关闭SocketChannel和ServerSocketChannel

四 ️DatagramChannel的使用

DataGramChannel，类似于java 网络编程的DatagramSocket类；使用UDP进行网络传输， UDP是无连接，面向数据报文段的协议，对传输的数据不保证安全与完整 ；和上面介绍的SocketChannel和ServerSocketChannel的使用方法类似，所以这里就简单介绍一下如何使用。

1.获取DataGramChannel

//1.通过DatagramChannel的open()方法创建一个DatagramChannel对象

DatagramChannel datagramChannel = DatagramChannel.open();

//绑定一个port（端口）

datagramChannel.bind(new InetSocketAddress(1234));

上面代码表示程序可以在1234端口接收数据报。

2.接收/发送消息

接收消息：

先创建一个缓存区对象，然后通过receive方法接收消息，这个方法返回一个SocketAddress对象，表示发送消息方的地址：

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

buf.clear();

channel.receive(buf);

发送消息：

由于UDP下，服务端和客户端通信并不需要建立连接，只需要知道对方地址即可发出消息，但是是否发送成功或者成功被接收到是没有保证的;发送消息通过send方法发出，改方法返回一个int值，表示成功发送的字节数：

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

buf.clear();

buf.put("datagramchannel".getBytes());

buf.flip();

int send = channel.send(buffer, new InetSocketAddress("localhost",1234));

这个例子发送一串字符：“datagramchannel”到主机名为”localhost”服务器的端口1234上。

五 Scatter / Gather

Channel 提供了一种被称为 Scatter/Gather 的新功能，也称为本地矢量 I/O。Scatter/Gather 是指在多个缓冲区上实现一个简单的 I/O 操作。正确使用 Scatter / Gather可以明显提高性能。

大多数现代操作系统都支持本地矢量I/O（native vectored I/O）操作。当您在一个通道上请求一个Scatter/Gather操作时，该请求会被翻译为适当的本地调用来直接填充或抽取缓冲区，减少或避免了缓冲区拷贝和系统调用；

Scatter/Gather应该使用直接的ByteBuffers以从本地I/O获取最大性能优势。

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

• Scatter: 从一个Channel读取的信息分散到N个缓冲区中(Buufer).

• Gather: 将N个Buffer里面内容按照顺序发送到一个Channel.

Scattering Reads

"scattering read"是把数据从单个Channel写入到多个buffer,如下图所示：

示例代码：

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);

ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);


ByteBuffer[] bufferArray =  header, body ;

channel.read(bufferArray);

read()方法内部会负责把数据按顺序写进传入的buffer数组内。一个buffer写满后，接着写到下一个buffer中。

举个例子，假如通道中有200个字节数据，那么header会被写入128个字节数据，body会被写入72个字节数据；

注意：

无论是scatter还是gather操作，都是按照buffer在数组中的顺序来依次读取或写入的；

Gathering Writes

"gathering write"把多个buffer的数据写入到同一个channel中，下面是示意图：

示例代码：

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

//write data into buffers
ByteBuffer[] bufferArray =  header, body ;

channel.write(bufferArray);

write()方法内部会负责把数据按顺序写入到channel中。

注意：

并不是所有数据都写入到通道，写入的数据要根据position和limit的值来判断，只有position和limit之间的数据才会被写入；

举个例子，假如以上header缓冲区中有128个字节数据，但此时position=0，limit=58；那么只有下标索引为0-57的数据才会被写入到通道中。

六 通道之间的数据传输

在Java NIO中如果一个channel是FileChannel类型的，那么他可以直接把数据传输到另一个channel。

• transferFrom() :transferFrom方法把数据从通道源传输到FileChannel

• transferTo() :transferTo方法把FileChannel数据传输到另一个channel

参考：

官方JDK相关文档:https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/

谷歌搜索排名第一的Java NIO教程:http://tutorials.jenkov.com/java-nio/channels.html

《Java NIO》:https://book.douban.com/subject/1433583/

《Java 8编程官方参考教程（第9版）》:https://book.douban.com/subject/26320992/