【Java】Java NIO 之 Channel 通道（三）

一、Channel（通道）介绍

　　通常来说NIO中的所有IO都是从 Channel（通道） 开始的。

• 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。

　　数据读取和写入操作图示：

　　

　　Java NIO Channel通道和流非常相似，主要有以下几点区别：

• 通道可以读也可以写，流一般来说是单向的（只能读或者写，所以之前我们用流进行IO操作的时候需要分别创建一个输入流和一个输出流）。

• 通道可以异步读写。

• 通道总是基于缓冲区Buffer来读写。

　　Java NIO中最重要的几个Channel的实现：

• FileChannel： 用于文件的数据读写

• DatagramChannel： 用于UDP的数据读写

• SocketChannel： 用于TCP的数据读写，一般是客户端实现

• ServerSocketChannel: 允许我们监听TCP链接请求，每个请求会创建会一个SocketChannel，一般是服务器实现

　　类层次结构：

　　下面的UML图使用Idea生成的。

　　

二、FileChannel的使用

2.1、基本用法

　　示例一：使用FileChannel读取数据到Buffer（缓冲区）以及利用Buffer（缓冲区）写入数据到FileChannel：

/**
 * 1、通道（Channel）：
 *  用于源节点与目标节点的连接。在Java NIO中负责缓冲区数据的传输。
 *  Channel本身不存储数据，因此需要缓冲区进行传输
 *
 * 2、通道的主要实现类
 *  java.nio.channels.Channel 接口
 *      ｜-- FIleChannel
 *      ｜-- SocketChannel
 *      ｜-- ServerSocketChannel
 *      ｜-- DatagramChannel
 *
 * 3、获取通道
 *    1）Java 针对支持通道的类提供类 getChannel() 方法
 *      本地IO：
 *      FileInputStream/FileOutputStream
 *      RandomAccessFile
 *
 *      网络IO：
 *      Socket
 *      ServerSocket
 *      DatagramSocket
 *
 *    2）在JDK 1.7 中的 NIO.2 针对各个通道提供类静态方法 open()
 *    3）在JDK 1.7 中的 NIO.2 的Files 工具类的 newByteChannel()
 *
 * 4、通道之间的数据传输
 *      transferFrom()
 *      transferTo()
 *
 * 5、分散（Scatter）与聚集（Gather）
 * 分散读取（Scattering Reads）：将通道中的数据分散到多个缓冲区中
 * 聚集写入（Gathering Writes）：将多个缓冲区中的数据聚集到通道中
 *
 * 6、字符集：Charset
 * 编码：字符串 -> 字节数组
 * 解码：字节数组 -> 字符串
 */
public class ChannelTest {


    // 1】利用通道完成文件的复制
    @Test
    public void test1(){

        FileInputStream fis = null;
        FileOutputStream fos = null;

        FileChannel inChannel = null;
        FileChannel outChannel = null;
        try {
            fis = new FileInputStream("tomcat.png");
            fos = new FileOutputStream("tomcat2.png");

            // 1、获取通道
            inChannel = fis.getChannel();
            outChannel = fos.getChannel();

            // 2、分配指定大小的缓存区
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

            // 3、将通道中的数据存入缓冲区中
            int len;
            while ((len = inChannel.read(buf)) != -1) {
                buf.flip(); // 切换成读取数据的模式
                // 4、将缓冲区中的数据写入通道中
                outChannel.write(buf);
                buf.clear(); // 清空缓冲区
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 5、关闭通道
            if(outChannel != null) {
                try {
                    outChannel.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if(inChannel != null) {
                try {
                    inChannel.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if(fos != null) {
                try {
                    fos.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if(fis != null) {
                try {
                    fis.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
 }

　　示例二：使用直接缓冲区完成文件的复制（内存映射文件）

    // 2】使用直接缓冲区完成文件的复制（内存映射文件）
    // 异常需要使用try-catch块处理
    @Test
    public void test2() throws IOException {
        // READ 读文件
        FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("tomcat.png"), StandardOpenOption.READ);
        // WRIT 写文件 CREATE_NEW 文件存在就报错，不存在就创建 CREATE 覆盖
        FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("tomcat2.png"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.CREATE);

        // 内存映射文件，直接缓冲区内存在物理内存中
        MappedByteBuffer inMapappedBuf = inChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, inChannel.size());
        MappedByteBuffer outMapappedBuf = outChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, inChannel.size());

        // 直接对缓冲区进行数据的读写操作
        byte[] dst = new byte[1024];
        ByteBuffer buf;
        int len = 0;
        while (inMapappedBuf.hasRemaining()){
            len = dst.length > inMapappedBuf.remaining() ? inMapappedBuf.remaining() : dst.length;
//            System.out.println(len);
            inMapappedBuf.get(dst, 0, len) ;
            outMapappedBuf.put(dst, 0, len);
        }
    }

2.2、通道之间数据传输

　　在Java NIO中，如果两个通道中有一个是FileChannel，那你可以直接将数据从一个channel传输到另外一个channel。

　　transferFrom()

　　FileChannel的transferFrom()方法可以将数据从源通道传输到FileChannel中

    // 3】通道之间数据传输(也是直接缓冲区方式)
    // 异常需要使用try-catch块处理
    @Test
    public void test3() throws IOException {
        // READ 读文件
        FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("tomcat.png"), StandardOpenOption.READ);
        // WRIT 写文件 CREATE_NEW 文件存在就报错，不存在就创建 CREATE 存在覆盖，不存在创建
        FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("tomcat2.png"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.CREATE);

//        inChannel.transferTo(0, inChannel.size(), outChannel);
        outChannel.transferFrom(inChannel, 0, inChannel.size());

        outChannel.close();
        inChannel.close();
    }

　　transferTo()

　　transferTo()方法将数据从FileChannel传输到其他的channel中

2.3、分散（scatter）与聚集（gather）

　　Java NIO开始支持scatter/gather，scatter/gather用于描述从Channel（译者注：Channel在中文经常翻译为通道）中读取或者写入到Channel的操作。

　　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。
　　聚集（gather）写入Channel是指在写操作时将多个buffer的数据写入同一个Channel，因此，Channel 将多个Buffer中的数据“聚集（gather）”后发送到Channel。

　　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。　　

　　Scattering Reads

　　Scattering Reads是指数据从一个channel读取到多个buffer中。如下图描述：

　　

　　代码示例如下：

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。

　　Gathering Writes

　　Gathering Writes是指数据从多个buffer写入到同一个channel。如下图描述：

　　

　　代码示例如下：

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。

　　完整示例演示如下：

    // 4】分散和聚集
    @Test
    public void test4() {
        FileChannel inRafChannel = null;
        FileChannel outRafChannel = null;
        try {
            RandomAccessFile inRaf = new RandomAccessFile("hello.txt", "r");
            RandomAccessFile outRaf = new RandomAccessFile("hello2.txt", "rw");

            // 1、获取通道
            inRafChannel = inRaf.getChannel();
            outRafChannel = outRaf.getChannel();

            // 2、分配指定大小的缓冲区
            ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(5);
            ByteBuffer buf2 = ByteBuffer.allocate(10);

            // 3、分散读取
            ByteBuffer[] bufs = {buf1, buf2};
            long len;
            while ((len = inRafChannel.read(bufs)) != -1){
                for (ByteBuffer byteBuffer : bufs) {
                    // 切换读模式
                    byteBuffer.flip();
                    System.out.print(new String(byteBuffer.array(), 0, byteBuffer.limit()));
                }

                // 4、聚集写入
                outRafChannel.write(bufs);

                for (ByteBuffer byteBuffer : bufs) {
                    // 清除缓存
                    byteBuffer.clear();
                }
            }

        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (outRafChannel != null) {
                try {
                    outRafChannel.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (inRafChannel != null) {
                try {
                    inRafChannel.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }