Java I/O（2）：NIO中的Channel

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為瞭解決標準Java I/O令人難以忍受的效率問題，從JDK1.4開始，NIO出現了（Non-blocking I/O，官方稱之為New I/O）。NIO不但新增加了許多全新的類，而且還對原來的很多類進行了改寫。之所以是NIO，是因為使用它的場景眾多，譬如開發中必不可少的Tomcat，以及大名鼎鼎的Netty，而Netty更是把NIO發揮到了極致，成為了RPC技術事實上的標準，所以它在JDK1.7中又升級為了AIO（NIO2）。

NIO主要有三大核心部分：

• Channel（通道）
• Buffer（緩衝區）
• Selector（選擇器/多路復用器）

傳統I/O基於位元組流或字元流進行操作，而NIO基於新的Channel和Buffer進行操作。這是它們的比較：

至於原理，不用記，可以這麼來理解（我始終秉持的態度是：如果你在大廠是自研類RPC系統或類MQ中間件的，那這個一定要精通；否則理解就好，不必死磕）：

可以看到，I/O就像個直腸子，直來直去，對數據流完全是來者不拒，來多少接多少，也不管能不能處理得了，這樣極容易造成線程阻塞，也就是電腦卡頓。

而NIO就有點彎彎繞了，它告訴線程：“如果我忙不過來就別等我，你先忙你的”。所以，按照這個約定，如果線程發現它不搭理自己的時候就會去忙別的。不會造成信息堵車。

Channel介面最重要的實現可以分為兩大類：用於本地文件和用於網路的Channel。

• FileChannel：用於本地文件數據的讀寫
• DatagramChannel：用於網路UDP數據的讀寫
• SocketChannel：客戶端用於實現網路TCP數據的讀寫
• ServerSocketChannel：服務端用於監聽網路TCP的連接請求，每個請求會創建會一個SocketChannel（即客戶端連接）

這是和Channel相關的繼承結構圖：

I/O本就枯燥，如果只是空洞說技術原理就更毫無價值，還是上代碼，把NIO和IO比較一下。

創建一個普通的Java項目：

然後隨便在網上或者自己電腦上找一個大文件，比如小電影之類的，寫這樣的代碼：

// 把file1中的內容寫到file2中去，看看耗時
// I/O讀寫
long start = System.currentTimeMillis();
try {
    FileInputStream fis = new FileInputStream("你電腦上已經存在的文件路徑，例如C:\\file1");
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream("你電腦上還不存在的文件路徑，例如C:\\file2");
    BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(fis), 1024);
    String line = null;
    while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) {
        fos.write(line.getBytes());
    }
    fis.close();
    fos.close();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end - start);

然後再稍稍改進一下，看看byte[]相對於BufferedReader的不同：

// 把file1中的內容寫到file3中去，看看耗時
// I/O讀寫（改進）
start = System.currentTimeMillis();
try {
    FileInputStream fis = new FileInputStream("你電腦上已經存在的文件路徑，例如C:\\file1");
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream("你電腦上還不存在的文件路徑，例如C:\\file3");
    byte[] b = new byte[1024];
    int len = 0;
    while ((len = fis.read(b)) != -1) {
        fos.write(b, 0, len);
    }
    fis.close();
    fos.close();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end - start);

最後再用NIO試試看：

// 把file1中的內容寫到file4中去，看看耗時
// NIO讀寫
start = System.currentTimeMillis();
try {
    FileChannel fis = new FileInputStream("你電腦上已經存在的文件路徑，例如C:\\file1").getChannel();
    FileChannel fos = new FileOutputStream("你電腦上還不存在的文件路徑，例如C:\\file4").getChannel();
    ByteBuffer bytedata = ByteBuffer.allocate(1024);
    while (fis.read(bytedata) != -1) {
        // 讀寫交叉進行
        bytedata.flip();
        fos.write(bytedata);
        bytedata.clear();
    }
    fis.close();
    fos.close();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}
end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end - start);

在main()方法中分別執行這三個方法，看看耗時上有啥不同。儘量找很大的文件，比如幾個G的那種。因為現在電腦的配置都比較高，文件太小，一會就讀完了，根本看不出來差別。

另外，另外，在NIO中如果一個channel是FileChannel類型的，那麼可以直接把FileChannel的數據傳輸到另一個Channel，就像這樣：

SocketChannel、ServerSocketChannel和DatagramChannel的使用也比較簡單，就不堆代碼了。

Channel還提供了一種被稱為Scatter/Gather（分散/聚集）的新功能（也稱為Vectored I/O，矢量I/O），它在多個Buffer上實現一個簡單的I/O操作。說人話就是：Scatter是把單個Channel的數據發給多個Buffer（分散），而Gather則是把多個Buffer的數據發給單個Channel（聚集），就像這樣：

同樣可以用代碼來演示一下：

// Scattering reads分散過程
ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer[] bufferArray1 = { buffer1, buffer2 };
FileChannel channel1 = new FileInputStream("/testfile1").getChannel();
channel1.read(bufferArray1);

// Gathering writes聚集過程
ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer buffer4 = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer[] bufferArray2 = { buffer1, buffer2 };
FileChannel channel2 = new FileInputStream("/testfile1").getChannel();
channel2.write(bufferArray2);

好了，NIO也屬於Java中比較重要的內容，說多了容易搞暈。慢慢來～

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