java输入输出 -- java NIO之文件通道

一、简介

　　通道是 Java NIO 的核心内容之一，在使用上，通道需和缓存类（ByteBuffer）配合完成读写等操作。与传统的流式 IO 中数据单向流动不同，通道中的数据可以双向流动。通道既可以读，也可以写。

　　Java NIO 出现在 JDK 1.4 中，由于 NIO 效率高于传统的 IO，所以 Sun 公司从底层对传统 IO 的实现进行了修改。修改的方式就是在保证兼容性的情况下，使用 NIO 重构 IO 的方法实现，无形中提高了传统 IO 的效率。

　　所有的 NIO 操作始于通道，通道是数据来源或数据写入的目的地。

• 从通道进行数据读取 ：创建一个缓冲区，然后请求通道读取数据。

• 从通道进行数据写入 ：创建一个缓冲区，填充数据，并要求通道写入数据

　　　　

二、基本操作

　　通道类型分为两种。一种是文件通道（面向文件的），另一种是Socket通道（面向网络的）。具体的类声明如下：

• FileChannel：文件通道，用于文件的读和写

• DatagramChannel：用于 UDP 连接的接收和发送

• SocketChannel：把它理解为 TCP 连接通道，简单理解就是 TCP 客户端

• ServerSocketChannel：TCP 对应的服务端，用于监听某个端口进来的请求

　　　　

 　　Channel 经常翻译为通道，类似 IO 中的流，用于读取和写入。它与前面介绍的 Buffer 打交道，读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。

三、通道 

 （一）.FileChannel文件通道

 　　FileChannel 是一个用于连接文件的通道，通过该通道，既可以从文件中读取，也可以向文件中写入数据。与SocketChannel 不同，FileChannel 无法设置为非阻塞模式，这意味着它只能运行在阻塞模式下。

　　在使用FileChannel 之前，需要先打开它。由于 FileChannel 是一个抽象类，所以不能通过直接创建而来。必须通过像 InputStream、OutputStream 或 RandomAccessFile 等实例获取一个 FileChannel 实例。

FileInputStream fis = new FileInputStream(FILE_PATH);
FileChannel channel = fis.getChannel();

FileOutputStream fos = new FileOutputStream(FILE_PATH);
FileChannel channel = fis.getChannel();

RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(FILE_PATH , "rw");
FileChannel channel = raf.getChannel();

 读写操作

// 获取管道
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(FILE_PATH, "rw");
FileChannel rafChannel = raf.getChannel();

// 准备数据
String data = "新数据，时间： " + System.currentTimeMillis();
System.out.println("原数据：
" + "   " + data);
//准备缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
buffer.clear();
buffer.put(data.getBytes());
buffer.flip();

// 向管道中写入数据
rafChannel.write(buffer);

rafChannel.close();
raf.close();//管道关闭

// 重新打开管道
raf = new RandomAccessFile(FILE_PATH, "rw");
rafChannel = raf.getChannel();

// 读取管道中的数据
buffer.clear();
rafChannel.read(buffer);

// 打印读取出的数据
buffer.flip();
byte[] bytes = new byte[buffer.limit()];
buffer.get(bytes);
System.out.println("读取到的数据：
" + "   " + new String(bytes));

rafChannel.close();
raf.close();
//结果如下

 数据转移操作

 　　我们有时需要将一个文件中的内容复制到另一个文件中去，最容易想到的做法是利用传统的 IO 将源文件中的内容读取到内存中，然后再往目标文件中写入。

　　现在，有了 NIO，我们可以利用更方便快捷的方式去完成复制操作。FileChannel 提供了一对数据转移方法 - transferFrom/transferTo，通过使用这两个方法，即可简化文件复制操作。

public static void main(String[] args) throws IOException {
    RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("fromFile.txt", "rw");
    FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();
    
    RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("toFile.txt", "rw");
    FileChannel toChannel = toFile.getChannel();
    
    long position = 0;
    long count = fromChannel.size();
    
    // 将 fromFile 文件找那个的数据转移到 toFile 中去
    System.out.println("before transfer: " + readChannel(toChannel));
    fromChannel.transferTo(position, count, toChannel);
    System.out.println("after transfer : " + readChannel(toChannel));
    
    fromChannel.close();
    fromFile.close();
    toChannel.close();
    toFile.close();
}

private static String readChannel(FileChannel channel) throws IOException {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32);
    buffer.clear();

    // 将 channel 读取位置设为 0，也就是文件开始位置
    channel.position(0);
    channel.read(buffer);
    
    // 再次将文件位置归零
    channel.position(0);

    buffer.flip();
    byte[] bytes = new byte[buffer.limit()];
    buffer.get(bytes);
    return new String(bytes);
}
//结果

　　通过上面的代码，我们可以明显感受到，利用 transferTo 减少了编码量。那么为什么利用 transferTo 可以减少编码量呢？在解答这个问题前，先来说说程序读取数据和写入文件的过程。

　　我们现在所使用的 PC 操作系统，将内存分为了内核空间和用户空间。操作系统的内核和一些硬件的驱动程序就是运行在内核空间内，而用户空间就是我们自己写的程序所能运行的内存区域。

　　这里，当我们调用 read 从磁盘中读取数据时，内核会首先将数据读取到内核空间中，然后再将数据从内核空间复制到用户空间内。也就是说，我们需要通过内核进行数据中转。同样，写入数据也是如此。系统先从用户空间将数据拷贝到内核空间中，然后再由内核空间向磁盘写入。相关示意图如下：

与上面的数据流向不同，FileChannel 的 transferTo 方法底层基于 sendfile64（Linux 平台下）系统调用实现。sendfile64 会直接在内核空间内进行数据拷贝，免去了内核往用户空间拷贝，用户空间再往内核空间拷贝这两步操作，因此提高了效率。其示意图如下：

 

　　通过上面的讲解，大家应该知道了 transferTo 和 transferFrom 的效率会高于传统的 read 和 write 在效率上的区别。区别的原因在于免去了内核空间和用户空间的相互拷贝，虽然内存间拷贝的速度比较快，但涉及到大量的数据拷贝时，相互拷贝的带来的消耗是不应该被忽略的。

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其他操作

　　FileChannel 还有一些其他的方法，这里通过一个表格来列举这些方法，就不一一展开说明了。如下：

方法名	用途
position	返回或修改通道读写位置
size	获取通道所关联文件的大小
truncate	截断通道所关联的文件
force	强制将通道中的新数据刷新到文件中
close	关闭通道
lock	对通道文件进行加锁

四、总结

　　 以上章节对 NIO 文件通道的用法和部分方法的实现进行了简单分析。

　　从上面的分析可以看出，NIO FileChannel 在实现上，实际上是对底层操作系统的一些 API 进行了再次封装，也就是一层皮。有了这层封装后，对上就屏蔽了底层 API 的细节，以降低使用难度。

　　Java 为了提高开发效率，屏蔽了操作系统层面的细节。虽然 Java 可以屏蔽这些细节，但作为开发人员，我觉得我们不能也去屏蔽这些细节（虽然不了解这些细节也能写代码），有时间还是应该多了解了解这些底层的东西。毕竟要想往更高的层次发展，这些底层的知识必不可少。