非阻塞 Java NIO Channel 體系介紹

1. 前言

java.nio.channels.SocketChannel 和 java.nio.channels.ServerSocketChannel 是編寫(xiě)非阻塞 Java TCP Soccket 程序的重要模塊。然而，Channel 是 Java NIO 非常重要的概念，在 java.nio.channels 抽象了完整的、關(guān)于 Channel 的接口（Interface） 層次結(jié)構(gòu)。

Channel 表示一個(gè)和硬件設(shè)備、磁盤(pán)文件、網(wǎng)絡(luò) Socket 等 I/O 設(shè)備、或者組件之間連接。Channel 的狀態(tài)要么是打開(kāi)的，要么是關(guān)閉的。當(dāng) Channel 處于打開(kāi)狀態(tài)，可以從 Channel 中讀取數(shù)據(jù)并且保存到 ByteBuffer 中，也可以將 ByteBuffer 中的數(shù)據(jù)寫(xiě)到 Channel 中。當(dāng) Channel 處于關(guān)閉狀態(tài)，對(duì) Channel 執(zhí)行讀、寫(xiě)操作，會(huì)產(chǎn)生 ClosedChannelException 異常。

2. Channel 類(lèi)層次結(jié)構(gòu)

java.nio.channels 包抽象了完整的 Channel 層次結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

2.1 Java NIO Channel 的祖先類(lèi)

java.nio.channels.Channel 是一個(gè) Java 接口，是整個(gè) Channel 家族的祖先，聲明的接口如下：

// 獲取 Channel 的狀態(tài)
public boolean isOpen();
// 關(guān)閉 channel
public void close() throws IOException;

Java NIO Channel 具有以下特性：

• Java NIO 支持面向字節(jié)流的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)方式，數(shù)據(jù)從 ByteBuffer 讀取后寫(xiě)到 Channel 中，或者從 Channel 中讀取后寫(xiě)入 ByteBuffer 中。
• Java NIO Channel 支持字節(jié)流讀寫(xiě)雙向操作，一個(gè)處于 Open 狀態(tài)的 Channel，既可以進(jìn)行讀操作、也可以進(jìn)行寫(xiě)操作。
• Java NIO Channel 支持阻塞和非阻塞兩種模式。
• Java NIO Channel 是線程安全的。

2.2 Java NIO 中其他 Channel 接口

在 Java NIO Channel 體系中，對(duì)于 Socket 的抽象、數(shù)據(jù)讀、數(shù)據(jù)寫(xiě)、數(shù)組形式的多緩沖讀、數(shù)組形式的多緩沖寫(xiě)等功能分別進(jìn)行了抽象，每一個(gè)功能都對(duì)應(yīng)一個(gè) Java 接口，下來(lái)我們分別做一個(gè)說(shuō)明。

java.nio.channels.ReadableByteChannel 是一個(gè) Java Interface，是對(duì) Channel 讀操作的抽象，聲明的接口如下：

public int read(ByteBuffer dst) throws IOException;

Channel 的 read 方法是從 I/O 設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，保存在 ByteBuffer 中，為此調(diào)用者必須提供 ByteBuffer 用以保存數(shù)據(jù)。返回值是讀取的字節(jié)數(shù)、0、或者 -1。如果是阻塞式 Channel，read 至少返回 1 或者 -1；如果是非阻塞式 Chanel，read 可能會(huì)返回 0。

java.nio.channels.WritableByteChannel 是一個(gè) Java Interface，是對(duì) Channel 寫(xiě)操作的抽象，聲明的接口如下：

public int write(ByteBuffer src) throws IOException;

Channel 的 write 方法是從 ByteBuffer 讀取數(shù)據(jù)，寫(xiě)入 I/O 設(shè)備中，為此調(diào)用者必須將要寫(xiě)出去的數(shù)據(jù)保存到 ByteBuffer 中。返回值是寫(xiě)入的字節(jié)數(shù)、0、或者 -1。如果是阻塞式 Channel，write 返回請(qǐng)求寫(xiě)入的字節(jié)數(shù) 或者 -1；如果是非阻塞式 write 可能會(huì)返回 0。

java.nio.channels.GatheringByteChannel 是一個(gè) Java Interface，是對(duì) Channel 寫(xiě)操作的抽象，可以寫(xiě)入一個(gè)數(shù)組，支持對(duì)多個(gè) ByteBuffer 的寫(xiě)入，聲明的接口如下：

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

java.nio.channels.ScatteringByteChannel 是一個(gè) Java Interface，是對(duì) Channel 讀操作的抽象，可以讀入一個(gè)數(shù)組，支持對(duì)多個(gè) ByteBuffer 的讀入，聲明的接口如下：

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

java.nio.channels.NetworkChannel 是一個(gè) Java Interface，表示一個(gè) Socket。實(shí)現(xiàn)此接口的 Channel 表示對(duì) Socket 的封裝。

java.nio.channels.SelectableChannel 是一個(gè) Java Interface，用于和 java.nio.channels.Selector 集成。聲明的主要接口如下：

public abstract SelectableChannel configureBlocking(boolean block)
        throws IOException;
public final SelectionKey register(Selector sel, int ops)
        throws ClosedChannelException

實(shí)現(xiàn)了 SelectableChannel 接口的類(lèi)，可以將 I/O 操作設(shè)置為非阻塞模式，同時(shí)可以注冊(cè)到 Selector，通過(guò) I/O 多路復(fù)用機(jī)制監(jiān)聽(tīng)事件。

java.nio.channels.ByteChannel 也是一個(gè) Java 接口，只是實(shí)現(xiàn)了 java.nio.channels.ReadableByteChannel 和 java.nio.channels.WritableByteChannel 兩個(gè)接口。ByteChannel 本身沒(méi)有聲明任何接口，實(shí)現(xiàn)了讀寫(xiě)聚合的功能。

3. Channel 實(shí)現(xiàn)類(lèi)

在 Channel 的類(lèi)的層次結(jié)構(gòu)圖中，我們畫(huà)出四個(gè)常用的實(shí)現(xiàn)類(lèi)如下：

• FileChannel

  文件 Channel 類(lèi)是對(duì)磁盤(pán)文件的抽象，可以讀寫(xiě)磁盤(pán)文件數(shù)據(jù)。需要通過(guò) FileInputStream 的 getChannel 方法創(chuàng)建 FileChannel 的對(duì)象，你不可以直接創(chuàng)建 FileChannel 的對(duì)象。FileChannel 對(duì)象的創(chuàng)建方法如下：

FileInputStream inFile = new FileInputStream("D:\\fileChannelTest.txt");
ReadableByteChannel fileChannel = inFile.getChannel();  

• DatagramChannel

  數(shù)據(jù)報(bào) Channel 是用于抽象 UDP Socket，可以將 UDP 數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)集成到 Selector 機(jī)制中。DatagramChannel 對(duì)象的創(chuàng)建方法：

DatagramChannel ch = DatagramChannel.open();  

• SocketChannel 是對(duì) TCP 的抽象，用于讀寫(xiě) TCP 數(shù)據(jù)，用于 TCP 客戶端和服務(wù)器端

• ServerSocketChannel 是對(duì) TCP 監(jiān)聽(tīng) Socket 的抽象，用于 TCP 服務(wù)器的創(chuàng)建。

4. 總結(jié)

本節(jié)重點(diǎn)是對(duì) Java NIO Channel 類(lèi)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。通過(guò) channel 類(lèi)的體系結(jié)構(gòu)圖，我們可以看出，主要是對(duì)數(shù)據(jù)讀、數(shù)據(jù)寫(xiě)、數(shù)組形式的多緩沖讀、數(shù)組形式的多緩沖寫(xiě)、以及和多路復(fù)用機(jī)制 Selector的集成等功能的抽象。每一個(gè)接口都對(duì)應(yīng)了相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)，將這些接口進(jìn)行一個(gè)組合，就是一個(gè)具體的 I/O 功能的實(shí)現(xiàn)，這一具體的組合是通過(guò)具體實(shí)現(xiàn)類(lèi)來(lái)體現(xiàn)的。比如 ，F(xiàn)ileChannel 是對(duì)磁盤(pán)文件的抽象，DatagramChannel 是對(duì) UDP Socket 的抽象，Socket Channel 是對(duì) TCP Socket 的抽象，ServerSocketChannel 是對(duì) TCP Server 監(jiān)聽(tīng)邏輯的抽象。

通過(guò)逐個(gè)分析每一個(gè)接口所提供的能力，我們就熟悉了完整的 Java NIO Channel 體系。