Java NIO实现原理之Channel
Channel类似与流，通道的特点：
既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道。但流的读写通常是单向的。
通道可以异步地读写。
通道中的数据总是要先读到一个Buffer，或者总是要从一个Buffer中写入。
channel的类结构图如下：
channel类结构.png
其中：
AbstractInterruptibleChannel:NIO中可中断channel的基本实现，可参考
ReadableByteChannel,WritableByteChannel,SelectableChannel,NetworkChannel这些接口或类都是字如其名，分别提供了io传输中的功能，如read，write。。
具体的channel实现类常见的如下：
FileChannel: 从文件中读写数据。
DatagramChannel:能通过UDP读写网络中的数据。
SocketChannel: 能通过TCP读写网络中的数据。
ServerSocketChannel:可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。
简单的FileChannel用法为：
public class FileChannelText {
public static void main(String args[]) throws IOException {
//1.创建一个RandomAccessFile（随机访问文件）对象
RandomAccessFile raf=new RandomAccessFile("D:\\aaa.txt", "rw");
//通过RandomAccessFile对象的getChannel()方法。FileChannel是抽象类。
FileChannel inChannel=raf.getChannel();
//2.创建一个读数据缓冲区对象
ByteBuffer buf=ByteBuffer.allocate(48);
//3.从通道中读取数据
int bytesRead = inChannel.read(buf);
//创建一个写数据缓冲区对象
ByteBuffer buf2=ByteBuffer.allocate(48);
//写入数据
buf2.put("filechannel test".getBytes());
buf2.flip();
inChannel.write(buf);
while (bytesRead != -1) {
System.out.println("Read " + bytesRead);
//Buffer有两种模式，写模式和读模式。在写模式下调用flip()之后，Buffer从写模式变成读模式。
buf.flip();
//如果还有未读内容
while (buf.hasRemaining()) {
System.out.print((char) buf.get());
}
//清空缓存区
buf.clear();
bytesRead = inChannel.read(buf);
}
//关闭RandomAccessFile（随机访问文件）对象
raf.close();
}
}其中FileChannel的.read实现如下：
public int read(ByteBuffer dst) throws IOException {
//确保channel是打开状态
ensureOpen();
if (!readable)
throw new NonReadableChannelException();
synchronized (positionLock) {
int n = 0;
int ti = -1;
try {
begin();
ti = threads.add();
if (!isOpen())
return 0;
do {
n = IOUtil.read(fd, dst, -1, nd);
} while ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen());
return IOStatus.normalize(n);
} finally {
threads.remove(ti);
end(n > 0);
assert IOStatus.check(n);
}
}
}可以看到读取数据逻辑是 n = IOUtil.read(fd, dst, -1, nd);
IOUtil.read(fd, dst, -1, nd)的实现：
static int read(FileDescriptor fd, ByteBuffer dst, long position,
NativeDispatcher nd) IOException {
if (dst.isReadOnly())
throw new IllegalArgumentException("Read-only buffer");
if (dst instanceof DirectBuffer)
return readIntoNativeBuffer(fd, dst, position, nd);
// Substitute a native buffer
ByteBuffer bb = Util.getTemporaryDirectBuffer(dst.remaining());
try {
int n = readIntoNativeBuffer(fd, bb, position, nd);
bb.flip();
if (n > 0)
dst.put(bb);
return n;
} finally {
Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(bb);
}
}如果ByteBuffer dst是DirectBuffer，则直接将数据从内核复制到dst,如果是堆内内存，则需要先创建一个临时DirectBuffer bb，将数据拷贝到bb之后，再将数据拷贝到ByteBuffer dst中，经过了两次数据复制。
Q：那为什么操作系统不直接访问Java堆内的内存区域了？
A：这是因为JNI方法访问的内存区域是一个已经确定了的内存区域地址，那么该内存地址指向的是Java堆内内存的话，那么如果在操作系统正在访问这个内存地址的时候，Java在这个时候进行了GC操作，而 GC操作 会涉及到数据的移动操作，GC经常会进行先标志在压缩的操作。即，将可回收的空间做标志，然后清空标志位置的内存，然后会进行一个压缩，压缩就会涉及到对象的移动，移动的目的是为了腾出一块更加完整、连续的内存空间，以容纳更大的新对象]，数据的移动会使JNI调用的数据错乱。所以JNI调用的内存是不能进行GC操作的。
同样，write实现堆内内存也经过了两次复制。
FIleChannelimpl.write
ublic int write(ByteBuffer src) throws IOException {
ensureOpen();
if (!writable)
throw new NonWritableChannelException();
synchronized (positionLock) {
int n = 0;
int ti = -1;
try {
begin();
ti = threads.add();
if (!isOpen())
return 0;
do {
n = IOUtil.write(fd, src, -1, nd);
} while ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen());
return IOStatus.normalize(n);
} finally {
threads.remove(ti);
end(n > 0);
assert IOStatus.check(n);
}
}
}IOUtil.write(fd, src, -1, nd)的实现：
static int write(FileDescriptor fd, ByteBuffer src, long position,
NativeDispatcher nd) throws IOException {
if (src instanceof DirectBuffer)
return writeFromNativeBuffer(fd, src, position, nd);
// Substitute a native buffer
int pos = src.position();
int lim = src.limit();
assert (pos <= lim);
int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);
ByteBuffer bb = Util.getTemporaryDirectBuffer(rem);
try {
bb.put(src);
bb.flip();
// Do not update src until we see how many bytes were written
src.position(pos);
int n = writeFromNativeBuffer(fd, bb, position, nd);
if (n > 0) {
// now update src
src.position(pos + n);
}
return n;
} finally {
Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(bb);
}
}参考资料：
https://www.jianshu.com/p/052035037297