NIO通道接口详解

一、通道概述

在探讨NIO的通道之前，我们已经介绍了缓冲区的相关知识。缓冲区可以视为客户端操作数据的临时存储区，而通道则是数据传输的路径。通道负责在不同的端点之间传输数据，就像船舶和航线负责将货物从一个港口运送到另一个港口一样。到达目的港的数据可能会被消费，也可能被进一步传输到下一个目的地。

单独讨论缓冲区的意义不大，NIO的核心在于解决数据在不同客户端之间的高效传输问题。因此，NIO在设计通道时考虑了更多的复杂性。然而，在实际项目中，常用的通道类型相对有限。本文将分为两部分介绍：一是通道的接口设计，二是NIO已实现的通道类型及其使用说明。

二、通道接口设计

NIO的通道设计采用了大量的功能抽象，具体可用的通道类的特性由其实现的接口决定。因此，要深入理解NIO的通道设计，首先需要了解整个NIO通道体系的接口设计。需要注意的是，虽然接口定义了实现类的行为，但具体行为的细节仍取决于具体的实现类。

以下是NIO通道接口的派生关系图：

三、接口说明

本文不会对每个接口进行详细的说明，因为从接口定义本身很难看出具体方法的行为。JDK在接口方法的注释中提供了一些实现类需要注意的点，但大部分书籍和文章也只是翻译了这些注释。下面是一些主要接口的简介：

3.1 AutoCloseable

这个接口是JDK 1.7引入的，支持try-with-resources语法，解决了finally块中关闭资源时的异常覆盖问题。这意味着所有实现Channel接口的类都具备自动关闭的特性。

例如，使用传统的try-finally块关闭资源时，可能会丢失最初的异常信息：

public class ExceptionTest implements AutoCloseable {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ExceptionTest exceptiOnTest= null;
        try {
            exceptiOnTest= new ExceptionTest();
            exceptionTest.open(); // 注意open会抛出异常
        } finally {
            try {
                if (exceptionTest != null) {
                    exceptionTest.close(); // open异常后执行close，close继续抛出异常
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace(); // open的异常就丢失了
            }
        }
    }

    public void open() throws IOException {
        System.out.println("invoke open method");
        throw new IOException("open method exception");
    }

    public void close() throws Exception {
        System.out.println("invoke close method");
        throw new IOException("close method exception");
    }
}

使用try-with-resources语法可以避免这种情况：

public class ExceptionTest implements AutoCloseable {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        try (ExceptionTest exceptiOnTest= new ExceptionTest()) {
            exceptionTest.open();
        }
    }

    public void open() throws IOException {
        System.out.println("invoke open method");
        throw new IOException("open method exception");
    }

    public void close() throws Exception {
        System.out.println("invoke close method");
        throw new IOException("close method exception");
    }
}

3.2 Closeable

这是一个古老的接口，用于支持可显式关闭的资源，最早出现在JDK 1.5中，并在JDK 1.7中扩展为实现AutoCloseable接口。这意味着所有通道都支持自动关闭和显式关闭。

3.3 Channel

这是最基本的通道接口，定义了通道必须支持的基本操作，如关闭和检查通道是否打开。Channel接口中的isOpen方法用于检查通道是否处于打开状态。

3.4 InterruptibleChannel

这个接口没有定义新的方法，但通过注释说明了其用途。InterruptibleChannel表示一个可中断的通道。如果应用程序线程在该类型的通道上阻塞，当通道关闭时，线程会收到AsynchronousCloseException异常。此外，如果其他线程调用该通道的interrupt方法，通道会被关闭，当前线程会收到AsynchronousCloseException异常并进入中断状态。

3.5 ReadableByteChannel

这个接口提供了从通道读取数据的方法。需要注意的是，当前线程读取数据时，其他线程的读操作会被阻塞。由于涉及操作系统底层的数据传输，因此仅支持字节读取。

3.6 ScatteringByteChannel

这是ReadableByteChannel的直接子接口，扩展了字节读取操作，允许将通道中的数据读取到多个缓冲区中。

3.7 WritableByteChannel

与ReadableByteChannel相对，这个接口提供了向通道写入数据的方法。当前线程写入数据时，其他线程的写操作会被阻塞。

3.8 GatheringByteChannel

这是WritableByteChannel的子接口，允许多个缓冲区向通道中写入数据。

3.9 ByteChannel

这个接口结合了字节读取和写入操作，实现该接口的类可以同时支持读写操作。

3.10 SeekableByteChannel

这个接口扩展了ByteChannel，增加了对位置（position）的维护操作，允许在通道中进行随机访问。

3.11 AsynchronousChannel

这是实现异步I/O操作的核心接口，实现了该接口的通道是线程安全的，允许并发读写。但需要注意的是，不允许在一个I/O操作未完成的情况下再次进行读写操作。

3.12 AsynchronousByteChannel

在AsynchronousChannel接口的基础上，扩展了以字节为单位的读写操作。

3.13 NetworkChannel

这是一个非常重要的接口，支持Socket的数据读写操作，将通道中的数据与Socket关联起来，是网络NIO实现的关键接口。

3.14 MulticastChannel

这个接口支持IP多播，将多个IP地址打包成一个组，然后将数据包发送到组内的所有主机。

四、结语

本文详细介绍了NIO通道接口及其设计原理，希望对读者理解和使用NIO通道有所帮助。如果想了解更多硬技能的分享，可以参考“积少成多”系列传送门，未来每一篇关于硬技能的文章都会在传送门中更新链接。