JAVA NIO 之Channel

Channel接口提供缓冲区与实体文件或套接字连接的一个抽象——通道，用于字节缓冲区和位于通道另一侧（通常是一个文件或套接字）之间有效地传输数据。多数情况下，通道与操作系统的文件描述符（File Descriptor）和文件句柄（File Handler）有着一对一的关系。虽然通道比文件描述符更广义，但我们经常使用到的多数通道都是连接到文件描述符的。

1.通道基础

Channel接口继承关系

下面是channel接口完整源码：

package java.nio.channels;

public interface Channel{

    public boolean isOpen();

    public void close() throws IOException;

}

与缓冲区不同，通道API主要由接口指定。不同操作系统上通道实现有根本性差异，所以通道API仅仅描述了可以做什么。因此很自然，通道的实现经常使用操作系统的本地代码。通道接口允许以一种受控且可移植的方式访问底层的IO服务。

从Channel接口可以看到，对所有通道来说只有两种共同操作：检查通道是否打开和关闭一个打开的通道。

1.1.打开通道

 通道是访问IO服务的导管。IO可以分为广义的两个类别：File IO和Stream IO，相应地有两种类型的通道——文件通道（FileChannel）和套接字通道（SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel ）。

通道可以以多种方式创建。Socket通道有可以直接创建新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，而不能直接创建一个FileChannel对象。

// 套接字通道

SocketChannel sc = SocketChannel.open();

sc.connect(new InetSocketAddress("host","port"));

ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();

ssc.socket().bind(new InetAddress(localport));

//文件通道

DatagramChannel dc = DatagramChannel.open();

RandomAccessChannel raf = new RandomAccessFile("filepath","r");

FileChannel fc = raf.getChannel();

1.2.使用通道

通道可以是双向的，也可以是单向的。一个channel子类可能实现定义read（）方法的ReadByteChannel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。如果一个类实现这两个接口，那么它是双向的，可以双向传输数据。

我们知道，一个文件可以在不同的时候以不同的权限打开。从FileInputStream对象的getChannel( )方法获取的FileChannel对象是只读的，不过从接口声明的角度来看却是双向的，因为FileChannel实现ByteChannel接口。在这样一个通道上调用write( )方法将抛出未经检查的NonWritableChannelException异常，因为FileInputStream对象总是以read-only的权限打开文件。

通道会连接一个特定I/O服务且通道实例（channel instance）的性能受它所连接的I/O服务的特征限制，记住这很重要。一个连接到只读文件的Channel实例不能进行写操作，即使该实例所属的类可能有write( )方法。基于此，程序员需要知道通道是如何打开的，避免试图尝试一个底层I/O服务不允许的操作。

// A ByteBuffer named buffer contains data to be written 

FileInputStream input = new FileInputStream (fileName); 

FileChannel channel = input.getChannel( ); 

// This will compile but will throw an IOException 

// because the underlying file is read-only 

channel.write (buffer);

1.3.关闭通道

与缓冲区不同，通道不能被重复使用，一个打开的通道即代表与一个特定IO服务的特定连接并封装该连接的状态。当通道关闭时，那个连接会丢失，然后通道不再连接任何东西。

1.调用通道的close（）方法时，可能会导致线程在通道关闭底层IO服务的过程中暂时阻塞，哪怕该通道处于非阻塞模式。通道关闭时的行为高度取决于操作系统或文件系统

2.可以调用isOpen（）方法测试通道的开放状态

3.如果一个通道实现了InterruptibleChannel接口，那么它将表现为：如果一个线程在一个通道上被阻塞并且同时被中断（其他线程调用了该线程的interrupt（）方法），那么该通道将被关闭，该被阻塞线程也会产生一个ClosedByInteruptException异常

2.Scatter/Gather

通道提供了一个被成为Scatter/Gather的重要新功能（有时也被成为矢量IO），它是指在多个缓冲区上实现一个简单IO操作。对于一个write操作而言，数据是从几个缓冲区按顺序抽取（成为gather）并沿着通道发送的。缓冲区本身并不需要具备这种gather功能。该gather过程的效果好比全部缓冲区的内容被连结起来，并在发送数据前放到一个大的缓冲区中。对于read操作而言，从通道读取的数据会按顺序被散布（scatter）到多个缓冲区，将每个缓冲区填满直至通道中的数据或缓冲区的最大空间被消耗完。

大多数现代操作系统都支持本地矢量IO，当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。这是一个很大的进步，减少或避免了缓冲区拷贝和系统调用。

public interface ScatteringByteChannel extends ReadableByteChannel{

    public long read （ByteBuffer[] dsts） throws IOException；

    public long read （ByteBuffer[] dsts, int offset,int length）;

}

public interface GatheringByteChannel extends WritebleByteChannel{

    public long write(ByteBuffer[] srcs) throws IOException;

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

}

3.文件通道 —— FileChannel

FileChannel不能直接创建，一个FileChannel实例只能通过一个打开的file对象上调用getChannel方法获取。调用geChannel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。

package java.nio.channels; 

public abstract class FileChannel extends AbstractChannel implements 

ByteChannel, GatheringByteChannel, ScatteringByteChannel {

     // This is a partial API listing 

    // All methods listed here can throw java.io.IOException 

    public abstract int read (ByteBuffer dst, long position) 

    public abstract int write (ByteBuffer src, long position) 

    public abstract long size( ) 

    public abstract long position( ) 

    public abstract void position (long newPosition)

    public abstract void truncate (long size) 

    public abstract void force (boolean metaData) 

    public final FileLock lock( ) 

    public abstract FileLock lock (long position, long size, boolean shared) 

    public final FileLock tryLock( ) 

    public abstract FileLock tryLock (long position, long size, boolean shared) 

    public abstract MappedByteBuffer map (MapMode mode, long position, long size) 

    public static class MapMode { 

    public static final MapMode READ_ONLY 

    public static final MapMode READ_WRITE 

    public static final MapMode PRIVATE 

    }

    public abstract long transferTo (long position, long count, WritableByteChannel target) 

    public abstract long transferFrom (ReadableByteChannel src, long position, long count) 

}

FileChannel对象是线程安全的，多个线程在同一个实例上并发调用方法不会引起任何问题。

4.内存-文件映射

FileChannel类提供了一个map（）方法，该方法可以在一个打开的文件和一个特殊类型的ByteBuffer之间建立一个虚拟内存映射。在FileChannel上调用map方法会创建一个由磁盘文件支持的虚拟内存映射并在那块虚拟内存空间外部封装一个MappedByteBuffer对象。

由map（）返回的MappedByteBuffer对象的行为多数方面类似于一个基于内存的缓冲区，只不过该对象的数据元素存储在磁盘上的一个文件中，调用get（）方法会从磁盘文件中获取数据，此数据反应该文件当前内容，即使在映射建立之后又文件以及被一个外部进程做了修改。相似的，对映射的缓冲区实现一个put（）调用会更新磁盘上那个文件，并且做的修改对于该文件其他阅读者都是可见的。

通过内存映射机制来访问一个文件比使用常规方法读写高效地多，甚至比使用通道的效率都高，因为不需要做明确的系统调用，那会很消耗时间。更重要的是操作系统的虚拟内存可以自动缓存内存页。这些页是系统内存来缓存的，不会消耗java虚拟机的内存堆。

public abstract class MappedByteBuffer extends ByteBuffer { 

// This is a partial API listing 

public final MappedByteBuffer load( ) 

public final boolean isLoaded( ) 

public final MappedByteBuffer force( )

 }

1.当为一个文件建立虚拟内存映射之后，文件数据通常不会因此被从磁盘读取到内存（这取决于操作系统）。该过程类似打开一个文件：文件先被定位，然后一个文件句柄会被创建，当您准备好之后就可以通过这个句柄来访问文件数据

2.load( )方法会加载整个文件以使它常驻内存。在一个映射缓冲区上调用load( )方法会是一个代价高的操作，因为它会导致大量的页调入（page-in），具体数量取决于文件中被映射区域的实际大小。请小心使用load( )方法，它可能会导致您不希望出现的结果。该方法的主要作用是为提前加载文件埋单，以便后续的访问速度可以尽可能的快。

3.force( )同FileChannel类中的同名方法相似，该方法会强制将映射缓冲区上的更改应用到永久磁盘存储器上。当用MappedByteBuffer对象来更新一个文件，您应该总是使用MappedByteBuffer.force( )而非FileChannel.force( )，因为通道对象可能不清楚通过映射缓冲区做出的文件的全部更改。

channel-to-channel传输

FileChannel接口的transferTo( )和transferFrom( )方法允许将一个通道交叉连接到另一个通道，而不需要通过一个中间缓冲区来传递数据。只有FileChannel类有这两个方法，因此channel-to-channel传输中通道之一必须是FileChannel。您不能在socket通道之间直接传输数据，不过socket通道实现WritableByteChannel和ReadableByteChannel接口，因此文件的内容可以用transferTo( )方法传输给一个socket通道，或者也可以用transferFrom( )方法将数据从一个socket通道直接读取到一个文件中。

5.socket通道

IO请求的两个阶段：

       等待资源阶段：IO请求一般需要请求特殊的资源（如磁盘、RAM、文件），当资源被上一个使用者使用没有被释放时，IO请求就会被阻塞，直到能够使用这个资源。

       使用资源阶段：真正进行数据接收和发生。

       举例说就是排队和服务。

 在等待资源阶段，IO分为阻塞IO和非阻塞IO。

       阻塞IO：资源不可用时，IO请求一直阻塞，直到反馈结果（有数据或超时）。

       非阻塞IO：资源不可用时，IO请求离开返回，返回数据标识资源不可用

 在使用资源阶段，IO分为同步IO和异步IO。

       同步IO：应用阻塞在发送或接收数据的状态，直到数据成功传输或返回失败。

       异步IO：应用发送或接收数据后立刻返回，数据写入OS缓存，由OS完成数据发送或接收，并返回成功或失败的信息给应用。

新的socket通道类可以运行非阻塞模式并且是可选择的。这两个性能可以激活大程序（如网络服务器和中间件组件）巨大的可伸缩性和灵活性。本节中我们会看到，再也没有为每个socket连接 使用一个线程的必要了，也避免了管理大量线程所需的上下文交换总开销。借助新的NIO类，一个或几个线程就可以管理成百上千的活动socket连接了并且只有很少甚至可能没有性能损失。

1）非阻塞模式

Socket通道可以在非阻塞模式下运行。这个陈述虽然简单却有着深远的含义。传统Java socket的阻塞性质曾经是Java程序可伸缩性的最重要制约之一。非阻塞I/O是许多复杂的、高性能的程序构建的基础（java IO多路复用的基础）。要把一个socket通道置于非阻塞模式，我们要依靠所有socket通道类的公有超级类：SelectableChannel。下面的方法就是关于通道的阻塞模式的：

 public abstract class SelectableChannel extends AbstractChannel implements Channel { 

// This is a partial API listing 

public abstract void configureBlocking (boolean block) throws IOException; 

public abstract boolean isBlocking( );

public abstract Object blockingLock( ); 

} 

有条件的选择（readiness selection）是一种可以用来查询通道的机制，该查询可以判断通道是否准备好执行一个目标操作，如读或写。非阻塞I/O和可选择性是紧密相连的，那也正是管理阻塞模式的API代码要在SelectableChannel超级类中定义的原因。