NIO复习(2)：channel

上篇学习了NIO的buffer，继续来学习channel，类图如下(注：为了不让图看起来太复杂，隐藏了一些中间的接口)

Channel派生了很多子接口，其中最常用的有FileChannel(用于文件操作)以及SocketChannel、ServerSocketChannel(用于网络通讯)，下面用几段示例代码学习其基本用法：

一、文件写入

1.1 入门示例

public static void fileWriteReadSimpleDemo() throws IOException {
    String filePath = "/tmp/yjmyzz.txt";
    //文件写入
    String fileContent = "菩提树下的杨过";
    FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(filePath);
    FileChannel writeChannel = outputStream.getChannel();

    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    byteBuffer.put(fileContent.getBytes());
    byteBuffer.flip();//别忘记了，反转position，否则此时position已经移到最后1个有效字符处，下一行将读不到数据

    //缓冲区的数据，通过channel写入文件
    writeChannel.write(byteBuffer);

    writeChannel.close();

    //文件读取
    File file = new File(filePath);
    FileInputStream inputStream = new FileInputStream(file);
    FileChannel readChannel = inputStream.getChannel();

    //注：这里要重新指定实际大小，否则byteBuffer前面初始化成1024长度，文件内容不足1024字节，
    // 后面的空余部分全是默认0填充，最终转换成字符串时，填充的0，也会转换成不可见字符输出
    byteBuffer = ByteBuffer.allocate((int) file.length());
    readChannel.read(byteBuffer);
    System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
    readChannel.close();
}

FileOutputStream类中内嵌了一个FileChannel的实例，通过getChannel()方法可以获取引用。写文件缓冲区初始化时，如何设置正确的大小，这个不太好掌握，设置太大浪费内存，设置太小又装不下，正确姿势可参考下面的示例2

1.2 缓冲区不够大时循环写入

    public static void writeFileDemo() throws IOException {
        String fileContent = "菩提树下的杨过(http://yjmyzz.cnblogs.com/)\n\n" +
                "送柴侍御\n" +
                "【作者】王昌龄 【朝代】唐\n" +
                "沅水通波接武冈，送君不觉有离伤。\n" +
                "青山一道同云雨，明月何曾是两乡。\n";
        //故意设置一个很小的缓冲区，演示缓冲区不够大的情况
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(5);
        String filePath = "/tmp/yjmyzz.txt";
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(filePath);
        FileChannel writeChannel = outputStream.getChannel();

        //将文件内容，按缓冲区大小拆分成一段段写入
        byte[] src = fileContent.getBytes();
        int pages = (src.length % byteBuffer.capacity() == 0) ? (src.length / byteBuffer.capacity())
                                                                : (src.length / byteBuffer.capacity() + 1);
        for (int i = 0; i < pages; i++) {
            int start = i * byteBuffer.capacity();
            int end = Math.min(start + byteBuffer.capacity() - 1, src.length - 1);
            for (int j = start; j <= end; j++) {
                byteBuffer.put(src[j]);
            }
            byteBuffer.flip();
            writeChannel.write(byteBuffer);
            //记得清空
            byteBuffer.clear();
        }
        writeChannel.close();
    }

注意：文件读取时，直接通过File对象的length可以提前知道缓冲的大小，能精确指定Buffer大小，不需要类似这么复杂的循环处理。

二、文件复制

    public static void copyFileDemo() throws IOException {
        String srcFilePath = "/tmp/yjmyzz.txt";
        File srcFile = new File(srcFilePath);
        String targetFilePath = "/tmp/yjmyzz.txt.bak";
        FileInputStream inputStream = new FileInputStream(srcFile);
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(targetFilePath);

        FileChannel inputChannel = inputStream.getChannel();
        FileChannel outputChannel = outputStream.getChannel();

        //文件复制
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate((int) srcFile.length());
        inputChannel.read(buffer);
        buffer.flip();
        outputChannel.write(buffer);

        //也可以用这一行，搞定文件复制（推荐使用）
//        outputChannel.transferFrom(inputChannel, 0, srcFile.length());

        inputChannel.close();
        outputChannel.close();
    }

三、文件修改

场景：某个文件需要把最后1个汉字，修改成其它字。先写一段代码，生成测试用的文件

    public static void writeLargeFile() throws IOException {
        String content = "12345678-abcdefg-菩提树下的杨过\n";
        String filePath = "/tmp/yjmyzz.txt";
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(filePath);
        FileChannel writeChannel = outputStream.getChannel();

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
        buffer.put(content.getBytes());
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            buffer.flip();
            writeChannel.write(buffer);
        }
        writeChannel.close();
    }

运行完后，测试文件中的内容如下：

12345678-abcdefg-菩提树下的杨过
12345678-abcdefg-菩提树下的杨过
12345678-abcdefg-菩提树下的杨过
12345678-abcdefg-菩提树下的杨过
12345678-abcdefg-菩提树下的杨过
12345678-abcdefg-菩提树下的杨过
12345678-abcdefg-菩提树下的杨过
12345678-abcdefg-菩提树下的杨过
12345678-abcdefg-菩提树下的杨过
12345678-abcdefg-菩提树下的杨过

3.1 常规方法示例

    public static void modify1() throws IOException {
        String filePath = "/tmp/yjmyzz.txt";
        File file = new File(filePath);
        FileInputStream inputStream = new FileInputStream(file);
        FileChannel inputChannel = inputStream.getChannel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate((int) file.length());

        byte[] tempBytes = "佛".getBytes();
        inputChannel.read(buffer);
        buffer.flip();
        //修改最后1个汉字
        for (int i = 0; i < tempBytes.length; i++) {
            //最后有一个回车符，然后汉字utf-8占3个字节，所以这里要减4，才是最后1个汉字
            int j = buffer.limit() - 4 + i;
            buffer.put(j, tempBytes[i]);
        }

        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(filePath);
        FileChannel outputChannel = outputStream.getChannel();
        outputChannel.write(buffer);

        inputChannel.close();
        outputChannel.close();
    }

运行完后，从下面的截图可以看到，测试最后1个字，从“过”变成了“佛”：

这个方法，对于小文件而言没什么问题，但如果文件是一个几G的巨无霸，会遇到2个问题:

首先是allocate方法，只接受int型参数，对于几个G的大文件，File.length很有可能超过int范围，无法分配足够大的缓冲。其次，就算放得下，几个G的内容全放到内存中，也很可能造成OOM，所以需要其它办法。

3.2 利用RandomAccessFile及Channel.map修改文件

    public static void modify2() throws IOException {
        String filePath = "/tmp/yjmyzz.txt";
        RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(filePath, "rw");
        FileChannel channel = file.getChannel();
        //将最后一个汉字映射到内存中
        MappedByteBuffer mappedByteBuffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, file.length() - 4, 3);

        byte[] lastWordBytes = "新".getBytes();

        //这样就直接在内存中修改了文件，不再需要调用channel.write
        mappedByteBuffer.put(lastWordBytes);

        channel.close();
    }

这个方法相对就高级多了，RandomAccessFile类是File类的加强版，允许以游标的方式，直接读取文件的某一部分，另外Channel.map方法，可以直接将文件中的某一部分映射到内存，在内存中直接修MappedByteBuffer后，文件内容就相应的修改了。

值得一提的是，从上面调试的截图来看，FileChannel.map方法返回的MappedByteBuffer，真实类型是它下面派生的子类DirectByteBuffer，这是“堆外”内存，不在JVM 自动垃圾回收的管辖范围。

参考文章：

https://docs.oracle.com/en/java/javase/13/docs/api/java.base/java/nio/channels/Channel.html

http://ifeve.com/channels/