小師妹學JavaIO之:NIO中Channel的妙用

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目錄

  • 簡介
  • Channel的分類
    • FileChannel
    • Selector和Channel
    • DatagramChannel
    • SocketChannel
    • ServerSocketChannel
    • AsynchronousSocketChannel
  • 使用Channel
  • 總結

簡介

小師妹，你還記得我們使用IO和NIO的初心嗎？

小師妹：F師兄，使用IO和NIO不就是為了讓生活更美好，世界充滿愛嗎？讓我等程序員可以優雅的將數據從一個地方搬運到另外一個地方。利其器，善其事，才有更多的時間去享受生活呀。

善，如果將數據比做人，IO，NIO的目的就是把人運到美國。

小師妹：F師兄，為什麼要運到美國呀，美國現在新冠太嚴重了，還是待在中國吧。中國是世界上最安全的國家！

好吧，為了保險起見，我們要把人運到上海。人就是數據，怎麼運過去呢？可以坐飛機，坐汽車，坐火車，這些什麼飛機，汽車，火車就可以看做是一個一個的Buffer。

最後飛機的航線，汽車的公路和火車的軌道就可以看做是一個個的channel。

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簡單點講，channel就是負責運送Buffer的通道。

IO按源頭來分，可以分為兩種，從文件來的File IO，從Stream來的Stream IO。不管哪種IO，都可以通過channel來運送數據。

Channel的分類

雖然數據的來源只有兩種，但是JDK中Channel的分類可不少，如下圖所示：

先來看看最基本的，也是最頂層的接口Channel：

public interface Channel extends Closeable {
    public boolean isOpen();
    public void close() throws IOException;

}

最頂層的Channel很簡單，繼承了Closeable接口，需要實現兩個方法isOpen和close。

一個用來判斷channel是否打開，一個用來關閉channel。

小師妹：F師兄，頂層的Channel怎麼這麼簡單，完全不符合Channel很複雜的人設啊。

別急，JDK這麼做其實也是有道理的，因為是頂層的接口，必須要更加抽象更加通用，結果，一通用就發現還真的就只有這麼兩個方法是通用的。

所以為了應對這個問題，Channel中定義了很多種不同的類型。

最最底層的Channel有5大類型，分別是：

FileChannel

這5大channel中，和文件File有關的就是這個FileChannel了。

FileChannel可以從RandomAccessFile, FileInputStream或者FileOutputStream中通過調用getChannel()來得到。

也可以直接調用FileChannel中的open方法傳入Path創建。

public abstract class FileChannel
    extends AbstractInterruptibleChannel
    implements SeekableByteChannel, GatheringByteChannel, ScatteringByteChannel

我們看下FileChannel繼承或者實現的接口和類。

AbstractInterruptibleChannel實現了InterruptibleChannel接口，interrupt大家都知道吧，用來中斷線程執行的利器。來看一下下面一段非常玄妙的代碼：

protected final void begin() {
        if (interruptor == null) {
            interruptor = new Interruptible() {
                    public void interrupt(Thread target) {
                        synchronized (closeLock) {
                            if (closed)
                                return;
                            closed = true;
                            interrupted = target;
                            try {
                                AbstractInterruptibleChannel.this.implCloseChannel();
                            } catch (IOException x) { }
                        }
                    }};
        }
        blockedOn(interruptor);
        Thread me = Thread.currentThread();
        if (me.isInterrupted())
            interruptor.interrupt(me);
    }

上面這段代碼就是AbstractInterruptibleChannel的核心所在。

首先定義了一個Interruptible的實例，這個實例中有一個interrupt方法，用來關閉Channel。

然後獲得當前線程的實例，判斷當前線程是否Interrupted，如果是的話，就調用Interruptible的interrupt方法將當前channel關閉。

SeekableByteChannel用來連接Entry或者File。它有一個獨特的屬性叫做position，表示當前讀取的位置。可以被修改。

GatheringByteChannel和ScatteringByteChannel表示可以一次讀寫一個Buffer序列結合（Buffer Array）：

public long write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length)
        throws IOException;
public long read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length)
        throws IOException;

Selector和Channel

在講其他幾個Channel之前，我們看一個和下面幾個channel相關的Selector：

這裏要介紹一個新的Channel類型叫做SelectableChannel，之前的FileChannel的連接是一對一的，也就是說一個channel要對應一個處理的線程。而SelectableChannel則是一對多的，也就是說一個處理線程可以通過Selector來對應處理多個channel。

SelectableChannel通過註冊不同的SelectionKey，實現對多個Channel的監聽。後面我們會具體的講解Selector的使用，敬請期待。

DatagramChannel

DatagramChannel是用來處理UDP的Channel。它自帶了Open方法來創建實例。

來看看DatagramChannel的定義：

public abstract class DatagramChannel
    extends AbstractSelectableChannel
    implements ByteChannel, ScatteringByteChannel, GatheringByteChannel, MulticastChannel

ByteChannel表示它同時是ReadableByteChannel也是WritableByteChannel，可以同時寫入和讀取。

MulticastChannel代表的是一種多播協議。正好和UDP對應。

SocketChannel

SocketChannel是用來處理TCP的channel。它也是通過Open方法來創建的。

public abstract class SocketChannel
    extends AbstractSelectableChannel
    implements ByteChannel, ScatteringByteChannel, GatheringByteChannel, NetworkChannel

SocketChannel跟DatagramChannel的唯一不同之處就是實現的是NetworkChannel借口。

NetworkChannel提供了一些network socket的操作，比如綁定地址等。

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel也是一個NetworkChannel，它主要用在服務器端的監聽。

public abstract class ServerSocketChannel
    extends AbstractSelectableChannel
    implements NetworkChannel

AsynchronousSocketChannel

最後AsynchronousSocketChannel是一種異步的Channel：

public abstract class AsynchronousSocketChannel
    implements AsynchronousByteChannel, NetworkChannel

為什麼是異步呢？我們看一個方法：

public abstract Future<Integer> read(ByteBuffer dst);

可以看到返回值是一個Future，所以read方法可以立刻返回，只在我們需要的時候從Future中取值即可。

使用Channel

小師妹：F師兄，講了這麼多種類的Channel，看得我眼花繚亂，能不能講一個Channel的具體例子呢？

好的小師妹，我們現在講一個使用Channel進行文件拷貝的例子，雖然Channel提供了transferTo的方法可以非常簡單的進行拷貝，但是為了能夠看清楚Channel的通用使用，我們選擇一個更加常規的例子：

public void useChannelCopy() throws IOException {
        FileInputStream input = new FileInputStream ("src/main/resources/www.flydean.com");
        FileOutputStream output = new FileOutputStream ("src/main/resources/www.flydean.com.txt");
        try(ReadableByteChannel source = input.getChannel(); WritableByteChannel dest = output.getChannel()){
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
            while (source.read(buffer) != -1)
            {
                // flip buffer,準備寫入
                buffer.flip();
                // 查看是否有更多的內容
                while (buffer.hasRemaining())
                {
                    dest.write(buffer);
                }
                // clear buffer，供下一次使用
                buffer.clear();
            }
        }
    }

上面的例子中我們從InputStream中讀取Buffer，然後寫入到FileOutputStream。

總結

今天講解了Channel的具體分類，和一個簡單的例子，後面我們會再體驗一下Channel的其他例子，敬請期待。

本文的例子https://github.com/ddean2009/learn-java-io-nio

本文作者：flydean程序那些事

本文鏈接：http://www.flydean.com/java-io-nio-channel/

本文來源：flydean的博客

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