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Java NIO 全面详解：初学者入门指南

article 2024/12/3 6:34:03

除了前一篇文章讲的传统的 java.io 模块，Java 还提供了更现代化、更高效的非阻塞 IO 模块，即 java.nio（New IO）。java.nio 引入了面向缓冲区（Buffer）的数据处理方式，以及多路复用器（Selector）实现的非阻塞通信模型。下面将详细讲解 java.nio 相关知识，帮助你全面了解 Java 的 IO 体系。

一、什么是 NIO？

NIO（New Input/Output）是 Java 1.4 引入的 IO 框架，旨在解决传统 IO 模块性能不足的问题，特别是针对高并发和大数据量的场景。

NIO 的特点包括：

非阻塞模式：通过多路复用器（Selector），可以在单线程中管理多个通道（Channel）。
基于缓冲区（Buffer）：数据读写操作基于缓冲区，而非直接操作流。
内存映射文件（Memory-Mapped File）：高效地处理大文件。

二、NIO 的核心概念

NIO 的设计思想与传统 IO 有显著区别，主要围绕以下几个核心组件：

2.1 Channel（通道）

通道是 NIO 的核心接口，用于读写数据，类似于传统 IO 中的流。常见通道包括：

FileChannel：用于文件数据的读写。
SocketChannel：用于网络数据的读写。
ServerSocketChannel：用于服务器端的网络数据处理。

特点：

双向性：同一个通道可以同时进行读和写。
非阻塞性：支持异步操作。

2.2 Buffer（缓冲区）

缓冲区是数据的容器，负责存储读写数据。所有的通道读写操作都要通过缓冲区完成。

常见缓冲区类型：

ByteBuffer：存储字节数据。
CharBuffer：存储字符数据。
IntBuffer、FloatBuffer 等：存储特定类型的基本数据。

缓冲区的核心属性：

capacity：缓冲区的总容量，不能改变。
position：当前操作的位置指针。
limit：当前可操作数据的上限。
mark：一个临时记录的指针位置。

Buffer 的基本操作流程：

写入数据到缓冲区。
调用 flip() 切换为读模式。
读取数据。
调用 clear() 清空缓冲区 或 compact() 压缩缓冲区。

示例：

import java.nio.ByteBuffer;

public class BufferExample {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 分配容量为 1024 的缓冲区

        // 写数据到缓冲区
        String data = "Hello, NIO!";
        buffer.put(data.getBytes());

        // 切换到读模式
        buffer.flip();

        // 读取缓冲区中的数据
        byte[] readData = new byte[buffer.remaining()];
        buffer.get(readData);
        System.out.println(new String(readData));

        // 清空缓冲区
        buffer.clear();
    }
}

2.3 Selector（选择器）

选择器是 NIO 实现多路复用的核心组件，可以同时监控多个通道的状态（如是否可读、可写、连接就绪等）。

Selector 的工作流程：

将通道注册到选择器，并指定关注的事件（如 OP_READ）。
调用选择器的 select() 方法检测通道是否有事件发生。
获取就绪的通道并进行操作。

三、FileChannel 示例

FileChannel 是 NIO 中用于文件操作的核心类，可以进行文件的读写和复制。

文件读取示例：

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class FileChannelExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("example.txt", "r");
             FileChannel channel = file.getChannel()) {

            // 创建缓冲区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            // 读取数据到缓冲区
            int bytesRead = channel.read(buffer);
            while (bytesRead != -1) {
                buffer.flip(); // 切换为读模式

                while (buffer.hasRemaining()) {
                    System.out.print((char) buffer.get());
                }

                buffer.clear(); // 清空缓冲区
                bytesRead = channel.read(buffer);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

文件写入示例：

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class FileChannelExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("example.txt", "rw");
             FileChannel channel = file.getChannel()) {

            String data = "Hello, FileChannel!";
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            buffer.put(data.getBytes());
            buffer.flip(); // 切换为读模式，准备写入通道

            channel.write(buffer);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

四、NIO 的非阻塞通信示例

NIO 的最大优势是支持非阻塞 IO，尤其在高并发的网络通信场景中具有明显优势。

服务器端示例

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) {
        try (ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open()) {
            serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
            serverChannel.configureBlocking(false); // 非阻塞模式

            System.out.println("服务器启动，等待连接...");

            while (true) {
                SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();
                if (clientChannel != null) {
                    System.out.println("客户端连接成功！");
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    buffer.put("Hello, Client!".getBytes());
                    buffer.flip();
                    clientChannel.write(buffer);
                    clientChannel.close();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客户端示例

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) {
        try (SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open()) {
            clientChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));

            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            clientChannel.read(buffer);

            buffer.flip();
            System.out.println("收到服务器消息：" + new String(buffer.array(), 0, buffer.limit()));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

五、NIO 与 IO 的对比

特性	传统 IO	NIO
数据处理单位	流（Stream）	缓冲区（Buffer）
阻塞模式	阻塞	非阻塞
多路复用	不支持	支持（通过 Selector）
性能	相对较低	更适合高并发场景
操作复杂性	简单	相对复杂