NIO核心二：通道Channel

一、简单介绍

通道(Channel)是java.nio的第二个创建概念。Channel用于在缓冲区和位于通道另一侧的实体(通常是一个文件或者是一个套接字)之间有效的传输数据。只不过Channel本身不能直接访问数据，Channel只能和Buffer进行交互。
在这里插入图片描述
1.NIO的通道和流的区别

通道可以同时进行读写，但是流只能读或者只能写
通道可以实现异步读写数据
通道可以从缓冲读取数据，也可以写数据到缓冲区；

2.BIO中的stream是单向的,例如InputStream对象只能进行对数据的读取操作，而NIO中通道Channel是双向的，可以进行读操作，也可以进行写操作。

3.Channel在NIO中是一个接口

public interface Channel extends Closeable

二、常用的Channel实现类

FileChannel: 用于读取、写入、映射和操作文件通道。
DatagramChannel: 通过UDP读写网络中的数据通道。
SocketChannel: 通过TCP读取网络中的数据
ServerSocketChannel: 可以监听新进来的 TCP 连接，对每一个新进来的连接都会创建SocketChannel。
【ServerSocketChannel 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】

三、FileChannel类

1.FileChannel的常用方法

int read(ByteBuffer dst) 从Channel到中读取数据到ByteBuffer
long  read(ByteBuffer[] dsts) 将Channel到中的数据“分散”到ByteBuffer[]
int  write(ByteBuffer src)将ByteBuffer 到中的数据写入到  Channel
long write(ByteBuffer[] srcs)将ByteBuffer[] 到中的数据“聚集”到  Channel
long position() 返回此通道的文件位置
FileChannel position(long p) 设置此通道的文件位置
long size() 返回此通道的文件的当前大小
FileChannel truncate(long s) 将此通道的文件截取为给定大小
void force(boolean metaData) 强制将所有对此通道的文件更新写入到存储设备中

2.FileChannel的实际案例

①:需求：使用前面学习后的 ByteBuffer(缓冲) 和 FileChannel(通道)，将 “hello world！” 写入到 data.txt 中.

public class NIOTest {
    public static void main(String[] args) {
        bufferTest();
    }
    public static void bufferTest(){
        try {
            // 1、字节输出流通向目标文件
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream("D:\\data01.txt");
            // 2、得到字节输出流对应的通道Channel
            FileChannel channel = fos.getChannel();
            // 3、分配缓冲区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            buffer.put("hello world！".getBytes());
            // 4、把缓冲区切换成写出模式
            buffer.flip();
            channel.write(buffer);
            channel.close();
            System.out.println("写数据到文件中！");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

②:需求：使用前面学习后的 ByteBuffer(缓冲) 和 FileChannel(通道)，将data01.txt 中的数据读入到程序，并显示在控制台屏幕

public class NIOTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        bufferTest();
    }
    public static void bufferTest() throws Exception {
        // 1、定义一个文件字节输入流与源文件接通
        FileInputStream is = new FileInputStream("D:\\data01.txt");
        // 2、需要得到文件字节输入流的文件通道
        FileChannel channel = is.getChannel();
        // 3、定义一个缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        // 4、读取数据到缓冲区
        channel.read(buffer);
        buffer.flip();
        // 5、读取出缓冲区中的数据并输出即可
        String rs = new String(buffer.array(),0,buffer.remaining());
        System.out.println(rs);
    }
}

四、FileChannel类的创建方式

获取通道的一种方式是对支持通道的对象调用getChannel() 方法。
支持通道的类如下：

FileInputStream
FileOutputStream
RandomAccessFile
DatagramSocket
Socket
ServerSocket
获取通道的其他方式是使用 Files 类的静态方法 
newByteChannel() 获取字节通道。或者通过通道的静态
方法 open() 打开并返回指定通道

五、SocketChannel

SocketChannel是对传统的java socket API进行了改进，主要支持了非阻塞的读写，同时改进了传统的单向流API,Channel同时支持读和写(其实就是加了个中间层Buffer)

SocketChannel的基本使用

①:打开SocketChannel
创建SocketChannel的方式有两种分别是
方式一：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(
        new InetSocketAddress("www.baidu.com",80));

方式二：

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("www.baidu.com",80));

②:关闭SocketChannel

socketChannel.close();

③:链接校验

socketChannel.isOpen(); //检测SocketChannel是否处于Open状态
socketChannel.isConnected(); // 检测SocketChannel是否已经被链接
socketChannel.isConnectionPending();//测试SocketChannel是否正在进行链接
socketChannel.finishConnect();//校验正在进行套接字的SocketChannel是否已经完成链接

④:SocketChannel的非阻塞模式
将 SocketChannel 设置为非阻塞模式之后，就可以在异步模式下调用connect(), read() 和write()了。

socketChannel.configureBlocking(false);

connect()
如果SocketChannel在非阻塞模式下，此时调用connect()，该方法可能在连接建立之前就返回了。为了确定连接是否建立，可以调用finishConnect()的方法。像这样：

public static void main(String[] args) throws IOException {
    SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
    //设置为非阻塞模式
    socketChannel.configureBlocking(false);
    socketChannel.connect(new InetSocketAddress("www.baidu.com",80));
    //校验正在进行套接字的SocketChannel是否已经完成链接
    while(! socketChannel.finishConnect() ){
            
    }
}

write()
非阻塞模式下，write()方法在尚未写出任何内容时可能就返回了。所以需要在循环中调用write()。

public static void main(String[] args) throws IOException {
    SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
    socketChannel.connect(new InetSocketAddress("www.baidu.com", 80));
    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()) {
        socketChannel.write(buf);
    }
}

read()
非阻塞模式下,read()方法在尚未读取到任何数据时可能就返回了。所以需要关注它的int返回值，它会告诉你读取了多少字节。

使用 SocketChannel 读写

从 SocketChannel 读取

public static void main(String[] argv) throws Exception {
    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
    SocketChannel sChannel = SocketChannel.open();
    sChannel.configureBlocking(false);
    sChannel.connect(new InetSocketAddress("hostName", 12345));

    int numBytesRead = sChannel.read(buf);

    if (numBytesRead == -1) {
        sChannel.close();
    } else {
        buf.flip();
    }
}

写入 SocketChannel

public static void main(String[] argv) throws Exception {
    SocketChannel sChannel = SocketChannel.open();
    sChannel.configureBlocking(false);
    sChannel.connect(new InetSocketAddress("hostName", 12345));

    ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
    buf.put((byte) 0xFF);

    buf.flip();

    int numBytesWritten = sChannel.write(buf);
}

六、ServerSocketChannel

Java NIO中的 ServerSocketChannel 是一个可以监听新进来的TCP连接的通道, 就像标准IO中的ServerSocket一样。

ServerSocketChannel的基本使用

①:打开 ServerSocketChannel

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

②:关闭 ServerSocketChannel
通过调用ServerSocketChannel.close() 方法来关闭ServerSocketChannel.

serverSocketChannel.close();

③：监听新进来的连接
通过 ServerSocketChannel.accept() 方法监听新进来的连接。当 accept()方法返回的时候,它返回一个包含新进来的连接的 SocketChannel。因此, accept()方法会一直阻塞到有新连接到达。

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

当然,也可以在while循环中使用除了true以外的其它退出准则。
④:非阻塞模式
ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下，accept() 方法会立刻返回，如果还没有新进来的连接,返回的将是null。因此，需要检查返回的SocketChannel是否是null.

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...
      }
  }

七、Scatter/Gather分散和聚集

分散(Scatter) 从Channel中读取是指在读操作时将读取的数据写入多个buffer中。因此，Channel将从Channel中读取的数据 “分散(Scatter)” 到多个Buffer中。
在这里插入图片描述

ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };
channel.read(bufferArray);

注意buffer首先被插入到数组，然后再将数组作为channel.read() 的输入参数。read()方法按照buffer在数组中的顺序将从channel中读取的数据写入到buffer，当一个buffer被写满后，channel紧接着向另一个buffer中写。
Scattering Reads在移动下一个buffer前，必须填满当前的buffer，这也意味着它不适用于动态消息(译者注：消息大小不固定)。换句话说，如果存在消息头和消息体，消息头必须完成填充（例如 128byte），Scattering Reads才能正常工作。

聚集(gather) 写入Channel是指在写操作时将多个buffer的数据写入到同一个channel，因此，Channel 将多个Buffer中的数据“聚集（gather）”后发送到Channel。
在这里插入图片描述

public static void main(String[] argv) throws Exception {
    ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
    ByteBuffer body   = ByteBuffer.allocate(1024);
    //write data into buffers
    ByteBuffer[] bufferArray = { header, body };
    channel.write(bufferArray);
}

buffers数组是write()方法的入参，write()方法会按照buffer在数组中的顺序，将数据写入到channel，注意只有position和limit之间的数据才会被写入。因此，如果一个buffer的容量为128byte，但是仅仅包含58byte的数据，那么这58byte的数据将被写入到channel中。因此与Scattering Reads相反，Gathering Writes能较好的处理动态消息。

scatter / gather经常用于需要将传输的数据分开处理的场合，例如传输一个由消息头和消息体组成的消息，你可能会将消息体和消息头分散到不同的buffer中，这样你可以方便的处理消息头和消息体。