Channel

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Channel 是 Java NIO 中负责数据传输的核心组件。

在传统 IO 中，数据主要通过 Stream 进行传输：

text

InputStream
OutputStream
Reader
Writer

而在 NIO 中，数据主要通过：

text

Channel
    +
Buffer

完成读写。

可以简单理解为：

text

Channel
    ↓
负责传输数据

Buffer
    ↓
负责存储数据

数据通常不会直接从 Channel 读到程序中，而是需要经过 Buffer。

读取数据：

text

文件 / 网络
    ↓
Channel
    ↓
Buffer
    ↓
程序

写入数据：

text

程序
    ↓
Buffer
    ↓
Channel
    ↓
文件 / 网络

1. Channel 和传统 Stream 的区别

传统 IO 中：

text

InputStream
    ↓
只能读

OutputStream
    ↓
只能写

而 Channel 通常可以同时支持读取和写入。

例如：

java

FileChannel

既可以：

java

read()

也可以：

java

write()

简单对比：

对比	Stream	Channel
所属	传统 IO	NIO
数据传输	直接读写	配合 Buffer
读写方向	通常单向	通常可以双向
非阻塞	不支持	部分 Channel 支持
Selector	不支持	部分 Channel 支持注册 Selector

需要注意：

并不是所有 Channel 都支持非阻塞模式。

例如：

text

FileChannel

主要用于文件 IO，本身不属于 Selector 管理的非阻塞网络 Channel。

而：

text

SocketChannel
ServerSocketChannel
DatagramChannel

可以设置为非阻塞模式，并注册到 Selector。

2. Channel 常见实现

Java NIO 中比较常见的 Channel：

text

Channel
│
├── FileChannel
│     └── 文件读写
│
├── SocketChannel
│     └── TCP 客户端连接
│
├── ServerSocketChannel
│     └── TCP 服务端监听连接
│
└── DatagramChannel
      └── UDP 数据传输

其中最常用的是：

text

FileChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

3. FileChannel

FileChannel 主要用于文件数据的读取和写入。

它可以通过：

text

FileInputStream
FileOutputStream
RandomAccessFile

获得。

例如：

java

FileInputStream fis =
        new FileInputStream(
                "test.txt"
        );

FileChannel channel =
        fis.getChannel();

也可以通过 RandomAccessFile 获取：

java

RandomAccessFile file =
        new RandomAccessFile(
                "test.txt",
                "rw"
        );

FileChannel channel =
        file.getChannel();

3.1 FileChannel 读取数据

读取文件时，需要准备一个 Buffer：

java

FileInputStream fis =
        new FileInputStream(
                "test.txt"
        );

FileChannel channel =
        fis.getChannel();

ByteBuffer buffer =
        ByteBuffer.allocate(1024);

int len =
        channel.read(buffer);

整个过程：

text

test.txt
    ↓
FileChannel
    ↓
ByteBuffer

read() 返回本次读取到的字节数。

如果读取到文件末尾，则返回：

text

-1

所以通常会这样写：

java

while (
        channel.read(buffer) != -1
) {

    // 切换成读取 Buffer 的状态
    buffer.flip();

    while (
            buffer.hasRemaining()
    ) {

        System.out.print(
                (char) buffer.get()
        );
    }

    // 清空状态，准备下一次读取
    buffer.clear();
}

3.2 FileChannel 写入数据

写入文件时，数据流向相反：

text

ByteBuffer
    ↓
FileChannel
    ↓
文件

例如：

java

FileOutputStream fos =
        new FileOutputStream(
                "test.txt"
        );

FileChannel channel =
        fos.getChannel();

ByteBuffer buffer =
        ByteBuffer.wrap(
                "kerwim".getBytes()
        );

channel.write(buffer);

这里：

java

ByteBuffer.wrap()

直接把字节数组包装成一个 ByteBuffer。

然后：

java

channel.write(buffer);

将 Buffer 中的数据写入文件。

3.3 FileChannel 文件复制

使用 FileChannel + ByteBuffer 可以完成文件复制：

java

try (
        FileChannel inputChannel =
                new FileInputStream(
                        "source.txt"
                ).getChannel();

        FileChannel outputChannel =
                new FileOutputStream(
                        "target.txt"
                ).getChannel()
) {

    ByteBuffer buffer =
            ByteBuffer.allocate(1024);

    while (
            inputChannel.read(buffer) != -1
    ) {

        // 写模式 → 读模式
        buffer.flip();

        while (
                buffer.hasRemaining()
        ) {

            outputChannel.write(buffer);
        }

        // 重新切换为写模式
        buffer.clear();
    }
}

核心过程：

text

source.txt
    ↓
FileChannel
    ↓
ByteBuffer
    ↓
FileChannel
    ↓
target.txt

4. FileChannel 的 position

FileChannel 内部维护了一个文件位置，也就是：

text

position

可以获取当前位置：

java

long position =
        channel.position();

也可以主动修改：

java

channel.position(100);

表示把文件位置移动到：

text

第 100 个字节

之后的读取或者写入，就会从这个位置开始。

例如：

java

RandomAccessFile file =
        new RandomAccessFile(
                "test.txt",
                "rw"
        );

FileChannel channel =
        file.getChannel();

channel.position(5);

ByteBuffer buffer =
        ByteBuffer.wrap(
                "kerwim".getBytes()
        );

channel.write(buffer);

因此 FileChannel 可以进行类似随机访问的文件操作。

5. FileChannel 的 transferTo 和 transferFrom

FileChannel 还提供了两个比较重要的方法：

java

transferTo()

transferFrom()

用于在 Channel 之间传输数据。

5.1 transferTo

java

sourceChannel.transferTo(
        0,
        sourceChannel.size(),
        targetChannel
);

表示：

text

sourceChannel
    ↓
targetChannel

例如：

java

try (
        FileChannel sourceChannel =
                new FileInputStream(
                        "source.txt"
                ).getChannel();

        FileChannel targetChannel =
                new FileOutputStream(
                        "target.txt"
                ).getChannel()
) {

    sourceChannel.transferTo(
            0,
            sourceChannel.size(),
            targetChannel
    );
}

相比自己手动创建：

java

ByteBuffer

这种方式代码更加简单。

5.2 transferFrom

方向相反：

java

targetChannel.transferFrom(
        sourceChannel,
        0,
        sourceChannel.size()
);

可以理解为：

text

transferTo()
    ↓
把自己的数据传出去


transferFrom()
    ↓
从其他 Channel 接收数据

transferTo() 和 transferFrom() 在部分操作系统和场景下，可以利用底层系统提供的数据传输优化，减少不必要的数据复制。

这也是后面学习：

text

零拷贝

时会再次接触到的内容。

详细内容见：[[零拷贝]]

6. SocketChannel

SocketChannel 主要用于 TCP 网络通信。

它类似于传统 IO 中的：

java

Socket

传统方式：

text

Socket
    ↓
InputStream
OutputStream

NIO：

text

SocketChannel
    ↓
ByteBuffer

6.1 创建 SocketChannel

可以通过：

java

SocketChannel.open();

创建：

java

SocketChannel socketChannel =
        SocketChannel.open();

然后连接服务器：

java

socketChannel.connect(
        new InetSocketAddress(
                "localhost",
                8080
        )
);

完整过程：

java

SocketChannel socketChannel =
        SocketChannel.open();

socketChannel.connect(
        new InetSocketAddress(
                "localhost",
                8080
        )
);

6.2 SocketChannel 写入数据

向服务器发送数据：

java

ByteBuffer buffer =
        ByteBuffer.wrap(
                "Hello kerwim".getBytes()
        );

socketChannel.write(buffer);

数据流向：

text

ByteBuffer
    ↓
SocketChannel
    ↓
网络

6.3 SocketChannel 读取数据

读取服务器返回的数据：

java

ByteBuffer buffer =
        ByteBuffer.allocate(1024);

int len =
        socketChannel.read(buffer);

数据流向：

text

网络
    ↓
SocketChannel
    ↓
ByteBuffer

7. SocketChannel 非阻塞模式

SocketChannel 最大的特点之一，就是可以设置成：

text

非阻塞模式

通过：

java

socketChannel.configureBlocking(false);

设置。

默认情况下：

text

blocking = true

也就是阻塞模式。

设置：

java

configureBlocking(false)

以后就进入非阻塞模式。

text

SocketChannel
    ↓
configureBlocking(false)
    ↓
非阻塞模式

非阻塞的 SocketChannel 可以注册到：

text

Selector

由 Selector 统一监控多个 Channel 的 IO 事件。

8. ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 主要用于 TCP 服务端监听客户端连接。

它类似于传统 IO 中的：

java

ServerSocket

对应关系：

text

传统 IO              NIO

ServerSocket   →   ServerSocketChannel

Socket         →   SocketChannel

创建：

java

ServerSocketChannel serverSocketChannel =
        ServerSocketChannel.open();

绑定端口：

java

serverSocketChannel.bind(
        new InetSocketAddress(8080)
);

接受客户端连接：

java

SocketChannel socketChannel =
        serverSocketChannel.accept();

整体过程：

text

ServerSocketChannel
        ↓
      accept()
        ↓
   SocketChannel
        ↓
   与客户端通信

9. ServerSocketChannel 非阻塞模式

同样可以设置成非阻塞：

java

serverSocketChannel.configureBlocking(
        false
);

然后注册到 Selector：

java

serverSocketChannel.register(
        selector,
        SelectionKey.OP_ACCEPT
);

表示：

我关心这个 Channel 上的客户端连接事件。

当客户端发起连接以后：

text

Selector
    ↓
发现 OP_ACCEPT
    ↓
ServerSocketChannel.accept()
    ↓
得到 SocketChannel

然后再把新的：

text

SocketChannel

注册到 Selector：

java

socketChannel.configureBlocking(false);

socketChannel.register(
        selector,
        SelectionKey.OP_READ
);

这样一个线程就可以通过 Selector 管理多个客户端连接。

详细内容见：[[Selector]]

10. DatagramChannel

DatagramChannel 主要用于：

text

UDP

通信。

对应传统 IO 中的：

text

DatagramSocket
DatagramPacket

基本结构：

text

传统 UDP

DatagramSocket
    ↓
DatagramPacket


NIO UDP

DatagramChannel
    ↓
ByteBuffer

创建：

java

DatagramChannel channel =
        DatagramChannel.open();

发送数据：

java

ByteBuffer buffer =
        ByteBuffer.wrap(
                "Hello".getBytes()
        );

channel.send(
        buffer,
        new InetSocketAddress(
                "localhost",
                8080
        )
);

接收数据：

java

ByteBuffer buffer =
        ByteBuffer.allocate(1024);

channel.receive(buffer);

11. Channel 和 Selector

并不是所有 Channel 都可以注册到 Selector。

可以注册 Selector 的 Channel，需要属于：

text

SelectableChannel

常见的包括：

text

SocketChannel
ServerSocketChannel
DatagramChannel

例如：

java

SocketChannel
    ↓
SelectableChannel
    ↓
可以注册 Selector

而：

text

FileChannel

不能注册到 Selector。

所以：

text

FileChannel
    ↓
文件 IO
    ↓
不能注册 Selector


SocketChannel
ServerSocketChannel
DatagramChannel
    ↓
网络 IO
    ↓
可以注册 Selector

这也是为什么 NIO 的：

text

非阻塞
+
IO 多路复用

主要体现在网络 IO 中。

12. Channel 和 Buffer 的关系

Channel 和 Buffer 基本上是一起出现的。

读取：

java

channel.read(buffer);

表示：

text

Channel
    ↓
Buffer

写入：

java

channel.write(buffer);

表示：

text

Buffer
    ↓
Channel

所以可以记住：

text

read()

Channel → Buffer


write()

Buffer → Channel

这一点非常重要。

13. 小结

Java NIO 中，Channel 负责：

数据的传输。

而 Buffer 负责：

数据的存储。

核心关系：

text

Channel
    ↕
Buffer

常见 Channel：

text

Channel
│
├── FileChannel
│     └── 文件 IO
│
├── SocketChannel
│     └── TCP 客户端通信
│
├── ServerSocketChannel
│     └── TCP 服务端监听
│
└── DatagramChannel
      └── UDP 通信

其中：

text

FileChannel
    ↓
主要用于文件 IO
    ↓
不能注册 Selector

而：

text

SocketChannel
ServerSocketChannel
DatagramChannel
    ↓
支持非阻塞模式
    ↓
可以注册 Selector
    ↓
实现 IO 多路复用

整个 NIO 的核心关系也越来越清晰：

text

                 Java NIO
                    │
        ┌───────────┼───────────┐
        │           │           │
      Buffer      Channel    Selector
        │           │           │
     存储数据      传输数据     管理多个
                               Channel

一句话理解：

Buffer 存数据，Channel 传数据，Selector 管 Channel。

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Docker

Channel

1. Channel 和传统 Stream 的区别

2. Channel 常见实现

3. FileChannel

3.1 FileChannel 读取数据

3.2 FileChannel 写入数据

3.3 FileChannel 文件复制

4. FileChannel 的 position

5. FileChannel 的 transferTo 和 transferFrom

5.1 transferTo

5.2 transferFrom

6. SocketChannel

6.1 创建 SocketChannel

6.2 SocketChannel 写入数据

6.3 SocketChannel 读取数据

7. SocketChannel 非阻塞模式

8. ServerSocketChannel

9. ServerSocketChannel 非阻塞模式

10. DatagramChannel

11. Channel 和 Selector

12. Channel 和 Buffer 的关系

13. 小结

网站公告

Channel ​

1. Channel 和传统 Stream 的区别 ​

2. Channel 常见实现 ​

3. FileChannel ​

3.1 FileChannel 读取数据 ​

3.2 FileChannel 写入数据 ​

3.3 FileChannel 文件复制 ​

4. FileChannel 的 position ​

5. FileChannel 的 transferTo 和 transferFrom ​

5.1 transferTo ​

5.2 transferFrom ​

6. SocketChannel ​

6.1 创建 SocketChannel ​

6.2 SocketChannel 写入数据 ​

6.3 SocketChannel 读取数据 ​

7. SocketChannel 非阻塞模式 ​

8. ServerSocketChannel ​

9. ServerSocketChannel 非阻塞模式 ​

10. DatagramChannel ​

11. Channel 和 Selector ​

12. Channel 和 Buffer 的关系 ​

13. 小结 ​

Channel

1. Channel 和传统 Stream 的区别

2. Channel 常见实现

3. FileChannel

3.1 FileChannel 读取数据

3.2 FileChannel 写入数据

3.3 FileChannel 文件复制

4. FileChannel 的 position

5. FileChannel 的 transferTo 和 transferFrom

5.1 transferTo

5.2 transferFrom

6. SocketChannel

6.1 创建 SocketChannel

6.2 SocketChannel 写入数据

6.3 SocketChannel 读取数据

7. SocketChannel 非阻塞模式

8. ServerSocketChannel

9. ServerSocketChannel 非阻塞模式

10. DatagramChannel

11. Channel 和 Selector

12. Channel 和 Buffer 的关系

13. 小结