非阻塞 Java NIO Channel 体系介绍

1. 前言

java.nio.channels.SocketChannel 和 java.nio.channels.ServerSocketChannel 是编写非阻塞 Java TCP Soccket 程序的重要模块。然而，Channel 是 Java NIO 非常重要的概念，在 java.nio.channels 抽象了完整的、关于 Channel 的接口（Interface）层次结构。

Channel 表示一个和硬件设备、磁盘文件、网络 Socket 等 I/O 设备、或者组件之间连接。Channel 的状态要么是打开的，要么是关闭的。当 Channel 处于打开状态，可以从 Channel 中读取数据并且保存到 ByteBuffer 中，也可以将 ByteBuffer 中的数据写到 Channel 中。当 Channel 处于关闭状态，对 Channel 执行读、写操作，会产生 ClosedChannelException 异常。

2. Channel 类层次结构

java.nio.channels 包抽象了完整的 Channel 层次结构，如下图所示：

图片描述

2.1 Java NIO Channel 的祖先类

java.nio.channels.Channel 是一个 Java 接口，是整个 Channel 家族的祖先，声明的接口如下：

// 获取 Channel 的状态
public boolean isOpen();
// 关闭 channel
public void close() throws IOException;

Java NIO Channel 具有以下特性：

Java NIO 支持面向字节流的数据读写方式，数据从 ByteBuffer 读取后写到 Channel 中，或者从 Channel 中读取后写入 ByteBuffer 中。
Java NIO Channel 支持字节流读写双向操作，一个处于 Open 状态的 Channel，既可以进行读操作、也可以进行写操作。
Java NIO Channel 支持阻塞和非阻塞两种模式。
Java NIO Channel 是线程安全的。

2.2 Java NIO 中其他 Channel 接口

在 Java NIO Channel 体系中，对于 Socket 的抽象、数据读、数据写、数组形式的多缓冲读、数组形式的多缓冲写等功能分别进行了抽象，每一个功能都对应一个 Java 接口，下来我们分别做一个说明。

java.nio.channels.ReadableByteChannel 是一个 Java Interface，是对 Channel 读操作的抽象，声明的接口如下：

public int read(ByteBuffer dst) throws IOException;

Channel 的 read 方法是从 I/O 设备读取数据，保存在 ByteBuffer 中，为此调用者必须提供 ByteBuffer 用以保存数据。返回值是读取的字节数、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 可能会返回 0。

java.nio.channels.WritableByteChannel 是一个 Java Interface，是对 Channel 写操作的抽象，声明的接口如下：

public int write(ByteBuffer src) throws IOException;

Channel 的 write 方法是从 ByteBuffer 读取数据，写入 I/O 设备中，为此调用者必须将要写出去的数据保存到 ByteBuffer 中。返回值是写入的字节数、0、或者 -1。如果是阻塞式 Channel，write 返回请求写入的字节数或者 -1；如果是非阻塞式 write 可能会返回 0。

java.nio.channels.GatheringByteChannel 是一个 Java Interface，是对 Channel 写操作的抽象，可以写入一个数组，支持对多个 ByteBuffer 的写入，声明的接口如下：

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

java.nio.channels.ScatteringByteChannel 是一个 Java Interface，是对 Channel 读操作的抽象，可以读入一个数组，支持对多个 ByteBuffer 的读入，声明的接口如下：

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

java.nio.channels.NetworkChannel 是一个 Java Interface，表示一个 Socket。实现此接口的 Channel 表示对 Socket 的封装。

java.nio.channels.SelectableChannel 是一个 Java Interface，用于和 java.nio.channels.Selector 集成。声明的主要接口如下：

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

实现了 SelectableChannel 接口的类，可以将 I/O 操作设置为非阻塞模式，同时可以注册到 Selector，通过 I/O 多路复用机制监听事件。

java.nio.channels.ByteChannel 也是一个 Java 接口，只是实现了 java.nio.channels.ReadableByteChannel 和 java.nio.channels.WritableByteChannel 两个接口。ByteChannel 本身没有声明任何接口，实现了读写聚合的功能。

3. Channel 实现类

在 Channel 的类的层次结构图中，我们画出四个常用的实现类如下：

FileChannel

文件 Channel 类是对磁盘文件的抽象，可以读写磁盘文件数据。需要通过 FileInputStream 的 getChannel 方法创建 FileChannel 的对象，你不可以直接创建 FileChannel 的对象。FileChannel 对象的创建方法如下：

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

DatagramChannel

数据报 Channel 是用于抽象 UDP Socket，可以将 UDP 数据的读写集成到 Selector 机制中。DatagramChannel 对象的创建方法：

DatagramChannel ch = DatagramChannel.open();

SocketChannel 是对 TCP 的抽象，用于读写 TCP 数据，用于 TCP 客户端和服务器端
ServerSocketChannel 是对 TCP 监听 Socket 的抽象，用于 TCP 服务器的创建。

4. 总结

本节重点是对 Java NIO Channel 类的体系结构进行了介绍。通过 channel 类的体系结构图，我们可以看出，主要是对数据读、数据写、数组形式的多缓冲读、数组形式的多缓冲写、以及和多路复用机制 Selector的集成等功能的抽象。每一个接口都对应了相应功能的实现，将这些接口进行一个组合，就是一个具体的 I/O 功能的实现，这一具体的组合是通过具体实现类来体现的。比如，FileChannel 是对磁盘文件的抽象，DatagramChannel 是对 UDP Socket 的抽象，Socket Channel 是对 TCP Socket 的抽象，ServerSocketChannel 是对 TCP Server 监听逻辑的抽象。

通过逐个分析每一个接口所提供的能力，我们就熟悉了完整的 Java NIO Channel 体系。