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、關于 Channel 的接口（Interface） 層次結構。

Channel 表示一個和硬件設備、磁盤文件、網絡 Socket 等 I/O 設備、或者組件之間連接。Channel 的狀態要么是打開的，要么是關閉的。當 Channel 處于打開狀態，可以從 Channel 中讀取數據并且保存到 ByteBuffer 中，也可以將 ByteBuffer 中的數據寫到 Channel 中。當 Channel 處于關閉狀態，對 Channel 執行讀、寫操作，會產生 ClosedChannelException 異常。

2. Channel 類層次結構

java.nio.channels 包抽象了完整的 Channel 層次結構，如下圖所示：

2.1 Java NIO Channel 的祖先類

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

// 獲取 Channel 的狀態
public boolean isOpen();
// 關閉 channel
public void close() throws IOException;

Java NIO Channel 具有以下特性：

• Java NIO 支持面向字節流的數據讀寫方式，數據從 ByteBuffer 讀取后寫到 Channel 中，或者從 Channel 中讀取后寫入 ByteBuffer 中。
• Java NIO Channel 支持字節流讀寫雙向操作，一個處于 Open 狀態的 Channel，既可以進行讀操作、也可以進行寫操作。
• 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，對于 Socket 的抽象、數據讀、數據寫、數組形式的多緩沖讀、數組形式的多緩沖寫等功能分別進行了抽象，每一個功能都對應一個 Java 接口，下來我們分別做一個說明。

java.nio.channels.ReadableByteChannel 是一個 Java Interface，是對 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 設備讀取數據，保存在 ByteBuffer 中，為此調用者必須提供 ByteBuffer 用以保存數據。返回值是讀取的字節數、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 可能會返回 0。

java.nio.channels.WritableByteChannel 是一個 Java Interface，是對 Channel 寫操作的抽象，聲明的接口如下：

public int write(ByteBuffer src) throws IOException;

Channel 的 write 方法是從 ByteBuffer 讀取數據，寫入 I/O 設備中，為此調用者必須將要寫出去的數據保存到 ByteBuffer 中。返回值是寫入的字節數、0、或者 -1。如果是阻塞式 Channel，write 返回請求寫入的字節數 或者 -1；如果是非阻塞式 write 可能會返回 0。

java.nio.channels.GatheringByteChannel 是一個 Java Interface，是對 Channel 寫操作的抽象，可以寫入一個數組，支持對多個 ByteBuffer 的寫入，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 Java Interface，是對 Channel 讀操作的抽象，可以讀入一個數組，支持對多個 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 Java Interface，表示一個 Socket。實現此接口的 Channel 表示對 Socket 的封裝。

java.nio.channels.SelectableChannel 是一個 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

實現了 SelectableChannel 接口的類，可以將 I/O 操作設置為非阻塞模式，同時可以注冊到 Selector，通過 I/O 多路復用機制監聽事件。

java.nio.channels.ByteChannel 也是一個 Java 接口，只是實現了 java.nio.channels.ReadableByteChannel 和 java.nio.channels.WritableByteChannel 兩個接口。ByteChannel 本身沒有聲明任何接口，實現了讀寫聚合的功能。

3. Channel 實現類

在 Channel 的類的層次結構圖中，我們畫出四個常用的實現類如下：

• FileChannel

  文件 Channel 類是對磁盤文件的抽象，可以讀寫磁盤文件數據。需要通過 FileInputStream 的 getChannel 方法創建 FileChannel 的對象，你不可以直接創建 FileChannel 的對象。FileChannel 對象的創建方法如下：

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

• DatagramChannel

  數據報 Channel 是用于抽象 UDP Socket，可以將 UDP 數據的讀寫集成到 Selector 機制中。DatagramChannel 對象的創建方法：

DatagramChannel ch = DatagramChannel.open();  

• SocketChannel 是對 TCP 的抽象，用于讀寫 TCP 數據，用于 TCP 客戶端和服務器端

• ServerSocketChannel 是對 TCP 監聽 Socket 的抽象，用于 TCP 服務器的創建。

4. 總結

本節重點是對 Java NIO Channel 類的體系結構進行了介紹。通過 channel 類的體系結構圖，我們可以看出，主要是對數據讀、數據寫、數組形式的多緩沖讀、數組形式的多緩沖寫、以及和多路復用機制 Selector的集成等功能的抽象。每一個接口都對應了相應功能的實現，將這些接口進行一個組合，就是一個具體的 I/O 功能的實現，這一具體的組合是通過具體實現類來體現的。比如 ，FileChannel 是對磁盤文件的抽象，DatagramChannel 是對 UDP Socket 的抽象，Socket Channel 是對 TCP Socket 的抽象，ServerSocketChannel 是對 TCP Server 監聽邏輯的抽象。

通過逐個分析每一個接口所提供的能力，我們就熟悉了完整的 Java NIO Channel 體系。