1.簡介
通道是 Java NIO 的核心内容之一，在使用上，通道需和緩存類（ByteBuffer）配合完成讀寫等操作。與傳統的流式 IO 中資料單向流動不同，通道中的資料可以雙向流動。通道既可以讀，也可以寫。這裡我們舉個例子說明一下，我們可以把通道看做水管，把緩存看做水塔，把檔案看做水庫，把水看做資料。當從磁盤中将檔案資料讀取到緩存中時，就是從水庫向水塔裡抽水。當然，從磁盤裡讀取資料并不會将讀取的部分從磁盤裡删除，但從水庫裡抽水，則水庫裡的水量在無補充的情況下确實變少了。當然，這隻是一個小問題，大家不要扣這個細節哈，繼續往下說。當水塔中存儲了水之後，我們可以用這些水燒飯，澆花等，這就相當于處理緩存的資料。過了一段時間後，水塔需要進行清洗。這個時候需要把水塔裡的水放回水庫中，這就相當于向磁盤中寫入資料。通過這裡例子，大家應該知道通道是什麼了，以及有什麼用。既然知道了，那麼我們繼續往下看。
Java NIO 出現在 JDK 1.4 中，由于 NIO 效率高于傳統的 IO，是以 Sun 公司從底層對傳統 IO 的實作進行了修改。修改的方式就是在保證相容性的情況下，使用 NIO 重構 IO 的方法實作，無形中提高了傳統 IO 的效率。
2.基本操作
通道類型分為兩種，一種是面向檔案的，另一種是面向網絡的。具體的類聲明如下：
- FileChannel
- DatagramChannel
- SocketChannel
- ServerSocketChannel
正如上清單，NIO 通道涵蓋了檔案 IO，TCP 和 UDP 網絡 IO 等通道類型。本文我們先來說說檔案通道。
2.1 建立通道
FileChannel 是一個用于連接配接檔案的通道，通過該通道，既可以從檔案中讀取，也可以向檔案中寫入資料。與SocketChannel 不同，FileChannel 無法設定為非阻塞模式，這意味着它隻能運作在阻塞模式下。在使用FileChannel 之前，需要先打開它。由于 FileChannel 是一個抽象類，是以不能通過直接建立而來。必須通過像 InputStream、OutputStream 或 RandomAccessFile 等執行個體擷取一個 FileChannel 執行個體。
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 讀寫操作
讀寫操作比較簡單，這裡直接上代碼了。下面的代碼會先向檔案中寫入資料，然後再将寫入的資料讀出來并列印。代碼如下：
// 擷取管道 RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(FILE_PATH, "rw"); FileChannel rafChannel = raf.getChannel(); // 準備資料 String data = "新資料，時間： " + System.currentTimeMillis(); System.out.println("原資料：\n" + " " + data); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128); buffer.clear(); buffer.put(data.getBytes()); buffer.flip(); // 寫入資料 rafChannel.write(buffer); rafChannel.close(); raf.close(); // 重新打開管道 raf = new RandomAccessFile(FILE_PATH, "rw"); rafChannel = raf.getChannel(); // 讀取剛剛寫入的資料 buffer.clear(); rafChannel.read(buffer); // 列印讀取出的資料 buffer.flip(); byte[] bytes = new byte[buffer.limit()]; buffer.get(bytes); System.out.println("讀取到的資料：\n" + " " + new String(bytes)); rafChannel.close(); raf.close(); 上面的代碼輸出結果如下：
2.3 資料轉移操作
我們有時需要将一個檔案中的内容複制到另一個檔案中去，最容易想到的做法是利用傳統的 IO 将源檔案中的内容讀取到記憶體中，然後再往目标檔案中寫入。現在，有了 NIO，我們可以利用更友善快捷的方式去完成複制操作。FileChannel 提供了一對資料轉移方法 - transferFrom/transferTo，通過使用這兩個方法，即可簡化檔案複制操作。
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 檔案找那個的資料轉移到 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 讀取位置設為 0，也就是檔案開始位置 channel.position(0); channel.read(buffer); // 再次将檔案位置歸零 channel.position(0); buffer.flip(); byte[] bytes = new byte[buffer.limit()]; buffer.get(bytes); return new String(bytes); } 
通過上面的代碼，我們可以明顯感受到，利用 transferTo 減少了編碼量。那麼為什麼利用 transferTo 可以減少編碼量呢？在解答這個問題前，先來說說程式讀取資料和寫入檔案的過程。
我們現在所使用的 PC 作業系統，将記憶體分為了核心空間和使用者空間。作業系統的核心和一些硬體的驅動程式就是運作在核心空間内，而使用者空間就是我們自己寫的程式所能運作的記憶體區域。這裡，當我們調用 read 從磁盤中讀取資料時，核心會首先将資料讀取到核心空間中，然後再将資料從核心空間複制到使用者空間内。也就是說，我們需要通過核心進行資料中轉。同樣，寫入資料也是如此。系統先從使用者空間将資料拷貝到核心空間中，然後再由核心空間向磁盤寫入。相關示意圖如下：
與上面的資料流向不同，FileChannel 的 transferTo 方法底層基于 sendfile64（Linux 平台下）系統調用實作。sendfile64 會直接在核心空間内進行資料拷貝，免去了核心往使用者空間拷貝，使用者空間再往核心空間拷貝這兩步操作，是以提高了效率。其示意圖如下：
通過上面的講解，大家應該知道了 transferTo 和 transferFrom 的效率會高于傳統的 read 和 write 在效率上的差別。差別的原因在于免去了核心空間和使用者空間的互相拷貝，雖然記憶體間拷貝的速度比較快，但涉及到大量的資料拷貝時，互相拷貝的帶來的消耗是不應該被忽略的。
講完了背景知識，咱們再來看看 FileChannel 是怎樣調用 sendfile64 這個函數的。相關代碼如下：
public long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target) throws IOException { // 省略一些代碼 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 { // 省略一些代碼 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()); // 省略一些代碼 return IOStatus.normalize(n); } finally { threads.remove(ti); end (n > -1); } } 從上面代碼（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 的調用路徑，先是調用 transferToDirectly，然後 transferToDirectly 再調用 transferTo0。transferTo0 是 native 類型的方法，我們再去看看 transferTo0 是怎樣實作的，其代碼在
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; // 其他平台的代碼省略 #endif } 如上所示，transferTo0 最終調用了 sendfile64 函數，關于 sendfile64 這個系統調用的詳細說明，請參考 man-page，這裡就不展開說明了。
2.4 記憶體映射
記憶體映射這個概念源自作業系統，是指将一個檔案映射到某一段虛拟記憶體（實體記憶體可能不連續）上去。我們通過對這段虛拟記憶體的讀寫即可達到對檔案的讀寫的效果，進而可以簡化對檔案的操作。當然，這隻是記憶體映射的一個優點。記憶體映射還有其他的一些優點，比如兩個程序映射同一個檔案，可以實作程序間通信。再比如，C 程式運作時需要 C 标準庫支援，作業系統将 C 标準庫放到了記憶體中，普通的 C 程式隻需要将 C 标準庫映射到自己的程序空間内就行了，進而可以降低記憶體占用。以上簡單介紹了記憶體映射的概念及作用，關于這方面的知識，建議大家去看《深入了解計算機系統》關于記憶體映射的章節，講的很好。
Unix/Linux 作業系統記憶體映射的系統調用
mmap
，Java 在這個系統調用的基礎上，封裝了 Java 的記憶體映射方法。這裡我就不一步一步往下追蹤了，大家有興趣可以自己追蹤一下 Java 封裝的記憶體映射方法的調用棧。下面來簡單的示例示範一下記憶體映射的用法：
// 從标準輸入擷取資料 Scanner sc = new Scanner(System.in); System.out.println("請輸入："); String str = sc.nextLine(); byte[] bytes = str.getBytes(); RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("map.txt", "rw"); FileChannel channel = raf.getChannel(); // 擷取記憶體映射緩沖區，并向緩沖區寫入資料 MappedByteBuffer mappedBuffer = channel.map(MapMode.READ_WRITE, 0, bytes.length); mappedBuffer.put(bytes); raf.close(); raf.close(); // 再次打開剛剛的檔案，讀取其中的内容 raf = new RandomAccessFile("map.txt", "rw"); channel = raf.getChannel(); System.out.println("\n檔案内容：") System.out.println(readChannel(channel)); raf.close(); raf.close(); 上面的代碼從标準輸入中擷取資料，然後将資料通過記憶體映射緩存寫入到檔案中。代碼運作結果如下：
接下來在用 C 代碼示範上面代碼的功能，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); // 打開檔案 dstfd = open("dst.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRWXU); lseek(dstfd, len - 1, SEEK_SET); write(dstfd, "", 1); // 将檔案映射到記憶體中 dst = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, dstfd, 0); // 将輸入的資料拷貝到映射記憶體中 memcpy(dst, buf, len); munmap(dst, len); close(dstfd); // 重新打開檔案，并輸出檔案内容 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; } 關于 mmap 函數的參數說明，這裡就不細說了，大家可以參考 man-page。上面的代碼運作結果如下：
關于記憶體映射就說到了，更深入的分析需要涉及到很多作業系統層面的東西。我對這些東西了解的也不多，是以就不繼續分析了，慚愧慚愧。
2.5 其他操作
FileChannel 還有一些其他的方法，這裡通過一個表格來列舉這些方法，就不一一展開說明了。如下：
| 方法名 | 用途 |
|---|---|
| position | 傳回或修改通道讀寫位置 |
| size | 擷取通道所關聯檔案的大小 |
| truncate | 截斷通道所關聯的檔案 |
| force | 強制将通道中的新資料重新整理到檔案中 |
| close | 關閉通道 |
| lock | 對通道檔案進行加鎖 |
以上所列舉的方法用起來比較簡單，大家自己寫代碼驗證一下吧，這裡就不貼代碼了。
3.總結
以上章節對 NIO 檔案通道的用法和部分方法的實作進行了簡單分析。從上面的分析可以看出，NIO FileChannel 在實作上，實際上是對底層作業系統的一些 API 進行了再次封裝，也就是一層皮。有了這層封裝後，對上就屏蔽了底層 API 的細節，以降低使用難度。Java 為了提高開發效率，屏蔽了作業系統層面的細節。雖然 Java 可以屏蔽這些細節，但作為開發人員，我覺得我們不能也去屏蔽這些細節（雖然不了解這些細節也能寫代碼），有時間還是應該多了解了解這些底層的東西。畢竟要想往更高的層次發展，這些底層的知識必不可少。說到這裡，感覺很慚愧，我的技術基礎也很薄弱。大學期間沒有意識到專業基礎課的重要性，學了很多東西，但忽略了基礎。好在工作不久後看了很多牛人的部落格，也意識到了自己的不足。現在靜下心來打基礎，算是亡羊補牢吧。
好了，關于檔案通道的内容這裡就說到這，謝謝大家的閱讀。
參考
- 《Java 程式設計思想》
- 《深入了解計算機系統》
- Java NIO Channel
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作者：coolblog
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