Java NIO3：通道和文件通道

Posted 2020-07-09 IT·达人

通道是什么

通道式（Channel）是java.nio的第二个主要创新。通道既不是一个扩展也不是一项增强，而是全新的、极好的Java I/O示例，提供与I/O服务的直接连接。Channel用于在字节缓冲区和位于通道另一侧的实体（通常是一个文件或套接字）之间有效地传输数据。

通常情况下，通道与操作系统的文件描述符（FileDescriptor）和文件 句柄（FileHandler）有着一对一的关系。虽然通道比文件描述符更广义，但开发者经常使用到的多数通道都是连接到开放的文件描述符的。 Channel类提供维持平台独立性所需的抽象过程，不然仍然会模拟现代操作系统本身的I/O性能。

通道是一种途径，借助该途径，可以用最小的总开销来访问操作系统本身的I/O服务。缓冲区则是通道内部用来发送和接收数据的端点，如下图：

 

通道基础

首先，看一下基本的Channel接口，下面是Channel接口的完整源码：

public interface Channel extends Closeable {

    /**
     * Tells whether or not this channel is open.  </p>
     *
     * @return <tt>true</tt> if, and only if, this channel is open
     */
    public boolean isOpen();

    /**
     * Closes this channel.
     *
     * <p> After a channel is closed, any further attempt to invoke I/O
     * operations upon it will cause a {@link ClosedChannelException} to be
     * thrown.
     *
     * <p> If this channel is already closed then invoking this method has no
     * effect.
     *
     * <p> This method may be invoked at any time.  If some other thread has
     * already invoked it, however, then another invocation will block until
     * the first invocation is complete, after which it will return without
     * effect. </p>
     *
     * @throws  IOException  If an I/O error occurs
     */
    public void close() throws IOException;

}

和缓冲区不同，通道API主要由接口指定。不同的操作系统上通道实现会有根本性的差异，所以通道API仅仅描述了可以做什么，因此很自然地，通道实现经常使用操作系统的本地代码，通道接口允许开发者以一种受控且可移植的方式来访问底层的I/O服务。

可以从底层的Channel接口看到，对所有通道来说只有两种共同的操作：检查一个通道是否打开isOpen()和关闭一个打开的通道close()，其余所有的东西都是那些实现Channel接口以及它的子接口的类。

从Channel接口引申出的其他接口都是面向字节的子接口：

包括WritableByteChannel和 ReadableByteChannel。这也正好支持了我们之前的所学：通道只能在字节缓冲区上操作。层次接口表明其他数据类型的通道也可以从 Channel接口引申而来。这是一种很好的镭射机，不过非字节实现是不可能的，因为操作系统都是以字节的形式实现底层I/O接口的。

 

认识通道

看一下基本的接口：

public interface ReadableByteChannel extends Channel {

    public int read(ByteBuffer dst) throws IOException;

}

public interface WritableByteChannel
    extends Channel
{

    public int write(ByteBuffer src) throws IOException;

}

public interface ByteChannel
    extends ReadableByteChannel, WritableByteChannel
{

}

通道可以是单向的也可以是双向的。一个Channel类可能实现定义read()方法的ReadableByteChannel接口，而另一个Channel类也许实现WritableByteChannel接口以提供write()方法。实现这两种接口其中之一的类都是单向的，只能在一个方向上传输数据。如果一个类同时实现这两个接口，那么它是双向的，可以双向传输数据，就像上面的ByteChannel。

通道可以以阻塞（blocking）或非阻塞（nonblocking）模式运行，非阻塞模式的通道永远不会让调用的线程休眠，请求的操作要么立即完成，要么返回一个结果表明未进行任何操作。只有面向流的（stream-oriented）的通道，如sockets和pipes才能使用非阻塞模式。

比方说非阻塞的通道SocketChannel：

public abstract class SocketChannel
    extends AbstractSelectableChannel
    implements ByteChannel, ScatteringByteChannel, GatheringByteChannel
{
    ...
}

public abstract class AbstractSelectableChannel
    extends SelectableChannel
{
   ...
}

可以看出，socket通道类从SelectableChannel类引申而来，从SelectableChannel引申而来的类可以和支持有条件的选择的选择器（Selectors）一起使用。将非阻塞I/O和选择器组合起来可以使开发者的程序利用多路复用I/O，选择器和多路复用将在之后的文章予以说明。

 

认识文件通道

通道是访问I/O服务的导管，I/O可以分为广义的两大类：File I/O和Stream I/O。那么相应的，通道也有两种类型，它们是文件（File）通道和套接字（Socket）通道。文件通道指的是FileChannel，套接字通道则有三个，分别是SocketChannel、ServerSocketChannel和DatagramChannel。

通道可以以多种方式创建。Socket通道可以有直接创建Socket通道的工厂方法，但是一个FileChannel对象却只能通过在一个打开的RandomAccessFile、FileInputStream或FileOutputStream对象上调用getChannel()方法来获取，开发者不能直接创建一个FileChannel。

文件I/O是我们最常使用的I/O，因此这部分先认识一下文件通道，下一部分再以代码形式演示如何使用文件通道高。用UML图表示一下文件通道的类层次关系：

文件通道总是阻塞式的，因此不能被置于非阻塞模式下。

前面提到过了，FileChannel对象不能直接创建，一个FileChannel实例只能通过在一个打开的File对象（RandomAccessFile、FileInputStream或FileOutputStream）上调用getChannel()方法获取，调用getChannel()方法会返回一个连接到相同文件的FileChannel对象且该FileChannel对象具有与file对象相同的访问权限，然后就可以使用通道对象来利用强大的FileChannel API了。

FileChannel对象是线程安全的，多个进程可以在同一个实例上并发调用方法而不会引起任何问题，不过并非所有的操作都是多线程的。影响通道位置或者影响文件的操作都是单线程的，如果有一个线程已经在执行会影响通道位置或文件大小的操作，那么其他尝试进行此类操作之一的线程必须等待，并发行为也会受到底层操作系统或文件系统的影响。

 

使用文件通道读数据

讲了这么多理论，下面来看一下如何使用文件通道，首先是从文件中读出数据：

public static void main(String[] args) throws Exception
{
    File file = new File("D:/files/readchannel.txt");
    FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
    FileChannel fc = fis.getChannel();
    ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(35);
    fc.read(bb);
    bb.flip();
    while (bb.hasRemaining())
    {
        System.out.print((char)bb.get());
    }
    bb.clear();
    fc.close();
}

这是最简单的操作，前面讲过文件通道必须通过一个打开的RandomAccessFile、FileInputStream、FileOutputStream获取到，因此这里使用FileInputStream来获取FileChannel。接着只要使用read方法将内容读取到缓冲区内即可，缓冲区内有了数据，就可以使用前文对于缓冲区的操作读取数据了。文件里面的数据是：

控制台上打印出来的数据是：

channel1!
channel2!
channel3!

没有问题。

 

使用文件通道写数据

上面看了使用文件通道读数据，接着看一下使用文件通道写数据，差不多：

public static void main(String[] args) throws Exception
{
    File file = new File("D:/files/writechannel.txt");
    RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");
    FileChannel fc = raf.getChannel();
    ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(10);
    String str = "abcdefghij";
    bb.put(str.getBytes());
    bb.flip();
    fc.write(bb);
    bb.clear();
    fc.close();
}

这里使用了RandomAccessFile去获取FileChannel，然后操作其实差不多，write方法写ByteBuffer中的内容至文件中，注意写之前还是要先把ByteBuffer给flip一下。

可能有人觉得这种连续put的方法非常不方便，但是没有办法，之前已经提到过了：通道只能使用ByteBuffer。