Java NIO學習系列二：Channel

木瓜芒果發表於2019-07-01
Java

　　上文總結了Java NIO中的Buffer相關知識點，本文中我們來總結一下它的好兄弟：Channel。上文有說到，Java NIO中的Buffer一般和Channel配對使用，NIO中的所有IO都起始於一個Channel，一個Channel就相當於一個流，，可以從Channel中讀取資料到Buffer，或者寫資料到Channel中。

　　Channel簡介

　　FileChannel

　　SocketChannel

　　ServerSocketChannel

　　DatagramChannel

　　總結

 

1. Channel簡介

　　Java NIO中的Channel類似流，但是有一些不同：

  • Channel既可以支援寫也可以支援讀，而流則是單向的，只能支援寫或者讀；
  • Channel支援非同步讀寫；
  • Channel一般和Buffer配套使用，從Channel中讀取資料到Buffer中，或從Buffer寫入到Channel中；

　　Channel的主要實現類有如下幾種：

  • FileChannel，可以對檔案讀/寫資料；
  • DatagramChannel，通過UDP從網路讀/寫資料；
  • SocketChannel，通過TCP從網路讀/寫資料；
  • ServerSocketChannel，允許你監聽TCP連線，對於每個TCP連線都建立一個SocketChannel；

 

2. FileChannel

　　Java NIO FileChannel是一類檔案相連的channel，通過它可以從檔案讀取資料，或向檔案寫資料。FileChannel類是Java NIO類庫提供的用於代替標準Java IO API來讀寫檔案。FileChannel不能設定為非阻塞模式，只能工作在阻塞模式下。

2.1 開啟FileChannel

  在使用FileChannel之前先要開啟它，就I/O類庫中有三個類被修改了，用以產生FileChannel，這三個類是：InputStream、OutputStream、RandomAccessFile，如下是如何從RandomAccessFile獲取FileChannel：

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

2.2 從FileChannel讀取資料

  首先需要分配一個Buffer，從FileChannel讀取的資料會讀到Buffer中(是不是有點繞)。然後呼叫FileChannel的read()方法來讀資料，這個方法會把資料讀到Buffer中，返回的int代表讀取了多少位元組，返回-1代表檔案末尾。

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

2.3 往FileChannel寫資料

  通過呼叫FileChannel的write()方法可以往其中寫資料，引數是一個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);
}

　　這裡write()方法也沒有保證一次寫入多少資料，我們只是不斷重複直到寫完。

2.4 關閉FileChannel

　　用完FileChannel之後記得要將其關閉：

channel.close();

2.5 FileChannel位置

  呼叫FileChannel物件的position()方法可以獲取其position，也可以呼叫position(long pos)設定其position：

// 獲取position
long pos channel.position();
// 設定position
channel.position(pos +123);

　　如果將position設定到檔案末尾後面，然後嘗試讀取檔案，會返回-1；

  如果將position設定到檔案末尾後面，然後嘗試向檔案中寫資料，則檔案會自動擴充套件，並且從設定的position位置處開始寫資料，這會導致“file hole”，即物理檔案會有間隙。

2.6 FileChannel尺寸

  size()方法返回filechannel連線的檔案的尺寸大小：

long fileSize = channel.size();

2.7 截短FileChannel

  truncate()方法可以截短檔案：

channel.truncate(1024);

　　如上，將檔案擷取為1024位元組長度。

2.8 FileChannel Force

  FileChannel.force()方法會重新整理所有未寫入到磁碟的資料到磁碟上。因為作業系統會先將資料快取到記憶體中，再一次性寫入磁碟，所以不能保證寫到channel中的資料是否寫入到磁碟上，所以可以呼叫flush()方法強制將資料寫入磁碟。

  force()方法有一個boolean引數，代表是否要寫入檔案的後設資料(比如許可權)：

channel.force(true);

 

3. SocketChannel

　　Java NIO SocketChannel用於和TCP網路socket相連，等同於Java網路包中的Socket。可以通過兩種方式來建立一個SocketChannel：

  • 開啟一個SocketChannel並且將其和網路上的某臺伺服器相連；
  • 當有一個連線到達一個ServerSocketChannel時會自動建立一個SocketChannel；

3.1 開啟Socket通道

  如下示例說明了如何開啟一個SocketChannel：

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

3.2 關閉Socket通道

  對於這種資源類的使用，是要記得及時關閉的：

socketChannel.close();

3.3 從Socket通道讀資料

  呼叫read()方法可以讀取資料：

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

3.4 往Socket通道寫資料

  呼叫其寫方法write()可以向其中寫資料，使用一個Buffer作為其引數：

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

  可以將SocketChannel設定為非阻塞模式，設定之後可以非同步地呼叫其connect()、read()和write()方法。

connect()

  對於處於非阻塞模式下的SocketChannel，呼叫其connect()方法之後會立即返回，即使沒有成功建立連線。可以呼叫finishConnect()方法來獲知是否成功建立連線：

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

write()

  對於處於非阻塞模式的SocketChannel，呼叫其write()也會返回，但是可能還沒有寫入資料。因此你需要在一個迴圈中呼叫它，就像前面的例子中看到的那樣。

read()

  對於處於非阻塞模式的SocketChannel，呼叫其read()有可能出現返回int值，但是還沒有任何資料讀入到buffer中。因此需要關注返回int值，這個可以告訴我們有多少資料是已經讀取的。

非阻塞模式下和Selectors一起工作

  非阻塞模式下的SocketChannel適合和Selector一起搭配使用。通過往Selector中註冊一個或多個SocketChannel，可以通過Selector選擇已經就緒的Channel。具體使用稍後會詳述。

 

4. ServerSocketChannel

　　Java NIO ServerSocketChannel可以監聽TCP連線，就像標準Java網路庫中的ServerSocket。

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

4.1 開啟ServerSocketChannel

  很簡單，呼叫其open()方法就可以開啟一個ServerSocketChannel：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

4.2 關閉ServerSocketChannel

serverSocketChannel.close();

4.3 監聽連線

  呼叫其accept()方法之後可以監聽連線。在一個新的連線到來之前，都處於阻塞狀態，一旦新的連線到來，accept()方法將返回一個和這個連線對應的SocketChannel。

  將其放在一個while迴圈中就可以不斷監聽新的連線：

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

　　當然實際中while迴圈應該使用其他的判斷條件而不是true。

4.4 工作在非阻塞模式下

  ServerSocketChannel同樣可設定為非阻塞模式，此時呼叫其accept()會立即返回，如果沒有新的連線可能返回null，需要對返回值是否為空進行校驗：

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用於傳送和接收UDP包。因為UDP是一個無連線協議，不是像其他channel一樣進行讀寫操作，而是通過資料包來交換資料。

5.1 開啟DatagramChannel

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

　　這個例子中開啟了一個DatagramChannel，可以通過埠9999接收UDP資料包。

5.2 接收資料

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

　　呼叫DatagramChannel的receive()方法可以將接收到的資料包中的資料複製到指定的Buffer中。如果收到的資料大於Buffer容量，預設將其拋棄。

5.3 傳送資料

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));

　　在這個例子中是向“jenkov.com”伺服器的80埠傳送UDP資料包。因為UDP不保證資料傳輸，所以也不會知道傳送的資料包是否被收到。

5.4 連線到指定地址

　　可以將DatagramChannel“連線”到一個指定的網路地址。因為UDP協議是無連線的，所以通過這種方式建立連線並不會像基於TCP的channel那樣建立一個真實的連線。但是，這樣可以“鎖定”這個DatagramChannel，使得它只能和一個指定的ip地址交換資料。

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

　　在這種情況下(鎖定)，也可以像其他Channel那樣呼叫read()和write()方法，只不過不能夠保證資料一定能夠收到。

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

 

6. 總結

　　本文主要總結了Channel的相關知識，Channel是通道，和Buffer進行互動資料，可以讀資料到Buffer中，也可以從Buffer往Channel寫資料。Channel主要有下面幾種：

  • FileChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel
  • DatagramChannel

　　其中FileChannel是和檔案互動、SocketChannel和ServerSocketChannel是基於TCP的網路Channel，DatagramChannel是基於UDP的網路Channel。

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