1.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。这里我们举个例子说明一下，我们可以把通道看做水管，把缓存看做水塔，把文件看做水库，把水看做数据。当从磁盘中将文件数据读取到缓存中时，就是从水库向水塔里抽水。当然，从磁盘里读取数据并不会将读取的部分从磁盘里删除，但从水库里抽水，则水库里的水量在无补充的情况下确实变少了。当然，这只是一个小问题，大家不要扣这个细节哈，继续往下说。当水塔中存储了水之后，我们可以用这些水烧饭，浇花等，这就相当于处理缓存的数据。过了一段时间后，水塔需要进行清洗。这个时候需要把水塔里的水放回水库中，这就相当于向磁盘中写入数据。通过这里例子，大家应该知道通道是什么了，以及有什么用。既然知道了，那么我们继续往下看。
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。
2.基本操作
通道类型分为两种，一种是面向文件的，另一种是面向网络的。具体的类声明如下：
- FileChannel
- DatagramChannel
- SocketChannel
- ServerSocketChannel
正如上列表，NIO 通道涵盖了文件 IO，TCP 和 UDP 网络 IO 等通道类型。本文我们先来说说文件通道。
2.1 创建通道
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();
2.2 读写操作
读写操作比较简单，这里直接上代码了。下面的代码会先向文件中写入数据，然后再将写入的数据读出来并打印。代码如下：
// 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：\n" + " " + data);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
buffer.clear();
buffer.put(data.getBytes());
buffer.flip();
// 写入数据
rafChannel.write(buffer);
rafChannel.close();
raf.close();
// 重新打开管道
raf = new RandomAccessFile(FILE_PATH, "rw");
rafChannel = raf.getChannel();
// 读取刚刚写入的数据
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：\n" + " " + new String(bytes));
rafChannel.close();
raf.close();
上面的代码输出结果如下：
2.3 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);
}
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。
讲完了背景知识，咱们再来看看 FileChannel 是怎样调用 sendfile64 这个函数的。相关代码如下：
public long transferTo(long position, long count,
WritableByteChannel target)
throws IOException
{
// 省略一些代码
int icount = (int)Math.min(count, Integer.MAX_VALUE);
if ((sz - position) < icount)
icount = (int)(sz - position);
long n;
// Attempt a direct transfer, if the kernel supports it
if ((n = transferToDirectly(position, icount, target)) >= 0)
return n;
// Attempt a mapped transfer, but only to trusted channel types
if ((n = transferToTrustedChannel(position, icount, target)) >= 0)
return n;
// Slow path for untrusted targets
return transferToArbitraryChannel(position, icount, target);
}
private long transferToDirectly(long position, int icount,
WritableByteChannel target)
throws IOException
{
// 省略一些代码
long n = -1;
int ti = -1;
try {
begin();
ti = threads.add();
if (!isOpen())
return -1;
do {
n = transferTo0(thisFDVal, position, icount, targetFDVal);
} while ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen());
// 省略一些代码
return IOStatus.normalize(n);
} finally {
threads.remove(ti);
end (n > -1);
}
}
从上面代码（transferToDirectly 方法可以在 openjdk/jdk/src/share/classes/sun/nio/ch/FileChannelImpl.java 中找到）中可以看得出 transferTo 的调用路径，先是调用 transferToDirectly，然后 transferToDirectly 再调用 transferTo0。transferTo0 是 native 类型的方法，我们再去看看 transferTo0 是怎样实现的，其代码在openjdk/jdk/src/solaris/native/sun/nio/ch/FileChannelImpl.c中。
JNIEXPORT jlong JNICALL
Java_sun_nio_ch_FileChannelImpl_transferTo0(JNIEnv *env, jobject this,
jint srcFD,
jlong position, jlong count,
jint dstFD)
{
#if defined(__linux__)
off64_t offset = (off64_t)position;
jlong n = sendfile64(dstFD, srcFD, &offset, (size_t)count);
if (n < 0) {
if (errno == EAGAIN)
return IOS_UNAVAILABLE;
if ((errno == EINVAL) && ((ssize_t)count >= 0))
return IOS_UNSUPPORTED_CASE;
if (errno == EINTR) {
return IOS_INTERRUPTED;
}
JNU_ThrowIOExceptionWithLastError(env, "Transfer failed");
return IOS_THROWN;
}
return n;
// 其他平台的代码省略
#endif
}
如上所示，transferTo0 最终调用了 sendfile64 函数，关于 sendfile64 这个系统调用的详细说明，请参考 man-page，这里就不展开说明了。
2.4 内存映射
内存映射这个概念源自操作系统，是指将一个文件映射到某一段虚拟内存（物理内存可能不连续）上去。我们通过对这段虚拟内存的读写即可达到对文件的读写的效果，从而可以简化对文件的操作。当然，这只是内存映射的一个优点。内存映射还有其他的一些优点，比如两个进程映射同一个文件，可以实现进程间通信。再比如，C 程序运行时需要 C 标准库支持，操作系统将 C 标准库放到了内存中，普通的 C 程序只需要将 C 标准库映射到自己的进程空间内就行了，从而可以降低内存占用。以上简单介绍了内存映射的概念及作用，关于这方面的知识，建议大家去看《深入理解计算机系统》关于内存映射的章节，讲的很好。
Unix/Linux 操作系统内存映射的系统调用mmap，Java 在这个系统调用的基础上，封装了 Java 的内存映射方法。这里我就不一步一步往下追踪了，大家有兴趣可以自己追踪一下 Java 封装的内存映射方法的调用栈。下面来简单的示例演示一下内存映射的用法：
// 从标准输入获取数据
Scanner sc = new Scanner(System.in);
System.out.println("请输入：");
String str = sc.nextLine();
byte[] bytes = str.getBytes();
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("map.txt", "rw");
FileChannel channel = raf.getChannel();
// 获取内存映射缓冲区，并向缓冲区写入数据
MappedByteBuffer mappedBuffer = channel.map(MapMode.READ_WRITE, 0, bytes.length);
mappedBuffer.put(bytes);
raf.close();
raf.close();
// 再次打开刚刚的文件，读取其中的内容
raf = new RandomAccessFile("map.txt", "rw");
channel = raf.getChannel();
System.out.println("\n文件内容：")
System.out.println(readChannel(channel));
raf.close();
raf.close();
上面的代码从标准输入中获取数据，然后将数据通过内存映射缓存写入到文件中。代码运行结果如下：
接下来在用 C 代码演示上面代码的功能，如下：
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <memory.h>
#include <unistd.h>
int main() {
int dstfd;
void *dst;
char buf[64], out[64];
int len;
printf("Please input:\n");
scanf("%s", buf);
len = strlen(buf);
// 打开文件
dstfd = open("dst.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRWXU);
lseek(dstfd, len - 1, SEEK_SET);
write(dstfd, "", 1);
// 将文件映射到内存中
dst = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, dstfd, 0);
// 将输入的数据拷贝到映射内存中
memcpy(dst, buf, len);
munmap(dst, len);
close(dstfd);
// 重新打开文件，并输出文件内容
dstfd = open("dst.txt", O_RDONLY);
dst = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_SHARED, dstfd, 0);
bzero(out, 64);
memcpy(out, dst, len);
printf("\nfile content:\n%s\n", out);
munmap(dst, len);
close(dstfd);
return 0;
}
关于 mmap 函数的参数说明，这里就不细说了，大家可以参考 man-page。上面的代码运行结果如下：
关于内存映射就说到了，更深入的分析需要涉及到很多操作系统层面的东西。我对这些东西了解的也不多，所以就不继续分析了，惭愧惭愧。
2.5 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 |
以上所列举的方法用起来比较简单，大家自己写代码验证一下吧，这里就不贴代码了。
3.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。说到这里，感觉很惭愧，我的技术基础也很薄弱。大学期间没有意识到专业基础课的重要性，学了很多东西，但忽略了基础。好在工作不久后看了很多牛人的博客，也意识到了自己的不足。现在静下心来打基础，算是亡羊补牢吧。
好了，关于文件通道的内容这里就说到这，谢谢大家的阅读。
参考
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作者：coolblog
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