Java-NIO之Channel（通道）
1：Channel是什么
通道表示与实体的开放连接，例如硬件设备、文件、网络套接字或能够执行一个或多个不同 I/O 操作（例如读取或写入）的程序组件。
1.1：Channel与Stream的对比
| Stream | Channel | 为什么 | |
|---|---|---|---|
| 是否支持异步 | 否 | 是 | |
| 是否同时支持输入和输出 | 否 | 是 | Stream的输入、输出分别需要InputStream、OutputStream |
| 是否必须结合Buffer使用 | 否 | 是 | 缓冲区是通道内部发送数据和接收数据的端点 |
| 性能 | 低 | 高 | 通道是访问IO服务的导管，通过通道，我们可以以最小的开销来访问操作系统的I/O服务 |
1.2：Channel的类型
文件类：
- FileChannel
可通过 FileInputStream/FileOutputStream 的getChannel方法获取通道。
网络类：
面向流模式的socket协议：
- SocketChannel
- ServerSocketChannel
可通过 Socket/SocketServer 的getChannel方法获取通道。
面向数据报模式的UDP协议：
- DatagramChannel
可通过 DatagramSocket 的getChannel方法获取通道。
1.3：操作系统IO演变史
早一代IO操作是由CPU负责IO接口：
新一代DMA授权处理IO接口：
通道（Channel）模式：
通道的产生是由于操作系统的升级而支持的。
2：Channel和操作系统的关系
在操作系统中对IO设备的控制方式一共有四种，按时间线依次是 轮询、中断、DMA、和通道 方式。
- 轮旋
轮询就是进行IO时操作系统一直问控制器数据准备好了没有。
- 中断
中断就是异步的方式进行了，CPU向设备控制器发送一条IO指令后接着返回继续做原来的工作，而当设备控制器从设备中取出数据放到控制器的寄存器中后便向CPU发送中断信号，CPU在检查完数据后便向控制器发送取走数据的信号，将数据写入内存，但仍是以字节为单位的。
- DMA
DMA则是CPU和设备控制器之间的引入的一层加快速度的手段，由DMA代替CPU进行数据传送，CPU将指令发送给DMA，DMA向控制器发送请求，设备控制器将数据从缓冲区将数据直接写入内存。完成后设备控制器发送一个信号给DMA，DMA重复检查数据是否传送完成，确认完成后中断让CPU知道。
DMA比起中断方式已经显著减少了CPU的干预，但是CPU每发出一条IO指令，只能去读写一个连续的数据块，当要读多个数据块并存放到不同的内存区域中去，CPU需要发送多条IO指令及进行多次中断。
- 通道
IO通道方式是DMA方式的发展，把对一个数据块的干预减少为对一组数据块的干预。
IO通道有三种：
- 字节多路通道(Byte Multiplexor Channel)
- 选择通道(Block Selector Channel)
- 数组多路通道(Block Multiplexor Channel)
根据通道的工作方式分类，通道可以分为字节多路通道、选择通道、数组多路通道。
字节多路通道是一种简单的共享通道，主要用于连接大量的低速设备。
由于外围设备的工作速度较慢，通道在传送两个字节之间有很多空闲的时间，利用这段空闲时间字节多路通道可以为其他外围设备服务。因此字节多路通道采用分时工作方式，依赖它与CPU之间的高速总线分时为多台外围设备服务。
数据选择通道用于连接高速的外围设备。
高速外围设备需要很高的数据传输率，因此不能采用字节多路通道那样的控制方式。选择通道在物理上可以连接多台外围设备，但多台设备不能同事工作。也就是在同一段时间内，选择通道只能为一台外围设备服务，在不同的时间内可以选择不同的外围设备。一旦选中某一设备，通道就进入忙状态，知道该设备数据传输工作结束，才能为其他设备服务。
数组多路通道是字节多路通道和选择通道的结合。
其基本思想是：当某设备进行数据传输时，通道只为该设备服务；当设备在进行寻址等控制性操作时，通道暂时断开与设备的连接，挂起该设备的通道程序，去为其他设备服务，即执行其他设备的通道程序。有数数组多路通道既保持了选择通道的告诉传输数据的有点，又充分利用了控制性操作偶读时间间隔为其他设备服务，使得通道效率充分得到发挥，因此数据多路通道在实际计算机系统中应用最多，适合于高速设备的数据传输。（以上引用内容来源于百度教育）
至于JAVA的Channel和操作系统的的通道是如何选择通道类型、如何交互的就没法深入了，暂且理解JAVA的Channel是对操作系统的通道的一种抽象实现吧。
3：Channel文件通道
上一篇已经介绍过Channel的文件内存映射（map）,就不做介绍了。
所谓的分散读取、聚集写入就是用多个buffer来接收数据、传输数据。
分散读取、聚集写入代码示例：
@Test
public void gatherWrite() {
FileInputStream inputStream = null;
FileOutputStream outputStream = null;
FileChannel inChannel = null;
FileChannel outChannel = null;
try {
File file = new File("src/test/java/com/loper/mine/SQLParserTest.java");
inputStream = new FileInputStream(file);
inChannel = inputStream.getChannel();
ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(8);
ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.allocate(15);
ByteBuffer[] buffers = new ByteBuffer[]{buffer1, buffer2};
// 分散读取
inChannel.read(buffers);
for (ByteBuffer buffer : buffers) {
buffer.flip();
System.out.println(buffer.mark());
}
File outFile = new File("src/test/java/com/loper/mine/1.txt");
outputStream = new FileOutputStream(outFile);
outChannel = outputStream.getChannel();
// 聚集写入
outChannel.write(buffers);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
if (inputStream != null)
inputStream.close();
if (outputStream != null)
outputStream.close();
if (inChannel != null)
inChannel.close();
if (outChannel != null)
outChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
4：Channel网络通道
4.1：socket协议
这部分代码比较复杂，可以翻看我的github代码，这里就不坐介绍了。
地址：https://github.com/zgq7/devloper-mine/tree/master/src/main/java/com/loper/mine/core/socket/nio
4.2：UDP协议
UDP发送数据：
@Test
public void send() {
DatagramChannel channel = null;
try {
channel = DatagramChannel.open();
// 设置为非阻塞
channel.configureBlocking(false);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (true) {
String nextLine = scanner.nextLine();
buffer.put(nextLine.getBytes());
buffer.flip();
channel.send(buffer, new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8056));
buffer.clear();
if ("over".equals(nextLine))
break;
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (channel != null) {
try {
channel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
UDP接收数据：
@Test
public void receive() {
DatagramChannel channel = null;
try {
channel = DatagramChannel.open();
// 设置为非阻塞
channel.configureBlocking(false);
channel.bind(new InetSocketAddress(8056));
Selector selector = Selector.open();
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while (true) {
int select = selector.select();
boolean exit = false;
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey selectionKey = iterator.next();
if (selectionKey.isReadable()) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.receive(buffer);
buffer.flip();
byte[] data = new byte[buffer.limit()];
buffer.get(data);
String str = new String(data);
System.out.println("收到：" + str);
if ("over".equals(str))
exit = true;
}
iterator.remove();
}
if (exit)
break;
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (channel != null) {
try {
channel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
接收端接收数据并退出：
以上即为本文理论知识+代码实战全部内容。如有错误欢迎指正。
本文参考文章：
