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Java进阶篇之NIO基础

article 2025/2/13 0:03:17

📌 引言

在前面的文章中，我们介绍了序列化和反序列化（Java进阶篇之序列化和反序列化）在 Java 的 I/O 体系中，java.io提供了传统的BIO（Blocking I/O，阻塞 I/O），它适用于小规模的数据交互。但在高并发、大数据量传输的场景下，java.nio（New I/O，非阻塞 I/O）提供了更高效的解决方案。NIO 采用**缓冲区（Buffer）+ 通道（Channel）**的方式，提高了数据处理能力，并支持 多路复用（Selector），大大提升了 I/O 性能。

本篇文章将详细介绍 Java NIO 的基础概念、核心组件、使用示例，并对比传统 IO，帮助你更好地理解 NIO 的工作原理。

目录

📌 引言

🏗 一、NIO 概述

1️⃣ 传统 I/O（BIO）的缺点

2️⃣ NIO 的优势

🛠 二、NIO 的核心组件

1️⃣ Buffer（缓冲区）

2️⃣ Channel（通道）

3️⃣ Selector（多路复用器）

🔄 四、NIO vs 传统IO

🎯 结语

🏗 一、NIO 概述

1️⃣ 传统 I/O（BIO）的缺点

  • 阻塞模式：BIO 采用 流式处理，读取或写入数据时必须等待操作完成，线程可能被阻塞。
  • 线程消耗大：每个连接通常对应一个独立的线程，在高并发场景下，线程资源消耗过多，导致性能下降。
  • 数据复制：BIO 需要频繁在用户空间和内核空间之间拷贝数据，影响 I/O 性能。

2️⃣ NIO 的优势

  • 非阻塞 I/O：NIO 允许一个线程管理多个连接，无需为每个连接创建线程。
  • 基于 Buffer（缓冲区）：相比于传统的 Stream（流），NIO 以块（Block）形式处理数据，减少数据拷贝，提高吞吐量。
  • 使用 Channel（通道）：双向数据通道，可同时进行读写操作，避免了 BIO 的单向流式传输。
  • 支持 Selector（多路复用器）：一个线程可以管理多个通道，提高资源利用率。

🛠 二、NIO 的核心组件

Java NIO 主要由 Buffer（缓冲区）、Channel（通道）、Selector（选择器） 组成：

1️⃣ Buffer（缓冲区）

缓冲区用于存储数据，NIO 不再直接与流交互，而是通过 Buffer 进行数据的读取和写入。常见的 Buffer 类型：

Buffer 类型作用
ByteBuffer处理字节数据
CharBuffer处理字符数据
IntBuffer处理整数数据
FloatBuffer处理浮点数数据
LongBuffer处理长整数数据
DoubleBuffer处理双精度浮点数数据

Buffer 关键方法：

  • allocate(int capacity)：创建指定容量的 Buffer。
  • put(data)：向 Buffer 写入数据。
  • flip()：切换为读模式。
  • get()：从 Buffer 读取数据。
  • clear()：清空 Buffer，准备下一次写入。

示例：使用 ByteBuffer 存储数据

import java.nio.ByteBuffer;

public class BufferExample {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10); // 创建容量为 10 的缓冲区

        // 写入数据
        buffer.put((byte) 1);
        buffer.put((byte) 2);
        buffer.put((byte) 3);

        buffer.flip(); // 切换到读模式

        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.println(buffer.get()); // 读取数据
        }
    }
}

2️⃣ Channel（通道）

通道类似于传统的流（Stream），但它支持双向数据传输（既可读，也可写）。

常见的 Channel 实现：

  • FileChannel：用于文件读写。
  • SocketChannel：用于网络通信（类似 Socket）。
  • ServerSocketChannel：用于服务器端的 Socket 监听。
  • DatagramChannel：用于 UDP 连接。

示例：使用 FileChannel 读取文件

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

public class FileChannelExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt");
        FileChannel channel = fis.getChannel();

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

        buffer.flip(); // 切换到读模式
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get());
        }

        channel.close();
        fis.close();
    }
}

3️⃣ Selector（多路复用器）

Selector 允许 单个线程管理多个通道，提高了 I/O 处理效率，特别适用于高并发场景，如 Web 服务器、聊天室等。

Selector 关键方法

  • select()：阻塞直到至少一个通道准备就绪。
  • selectNow()：非阻塞检查就绪通道。
  • register()：将 Channel 注册到 Selector 上。

示例：使用 Selector 监听多个 Channel

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.util.Iterator;

public class SelectorExample {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Selector selector = Selector.open();
        ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
        serverChannel.configureBlocking(false);
        serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
            selector.select(); // 阻塞等待事件
            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();

            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                iterator.remove();

                if (key.isAcceptable()) { // 处理新连接
                    SocketChannel client = serverChannel.accept();
                    client.configureBlocking(false);
                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    System.out.println("Client connected: " + client.getRemoteAddress());
                } else if (key.isReadable()) { // 读取数据
                    SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    int bytesRead = client.read(buffer);
                    if (bytesRead > 0) {
                        buffer.flip();
                        System.out.println("Received: " + new String(buffer.array(), 0, bytesRead));
                    }
                }
            }
        }
    }
}

🔄 四、NIO vs 传统IO

对比项传统 I/O (BIO)NIO (非阻塞 I/O)
数据处理基于流基于缓冲区（Buffer）
阻塞模式阻塞（每次读写都等待完成）非阻塞（一个线程可管理多个连接）
适用场景小数据量、单连接高并发、大量连接
线程模型每连接一个线程单线程管理多个连接

🎯 结语

Java NIO 是高性能 I/O 编程的基础，适用于高并发、低延迟的应用场景。本文介绍了 NIO 的基本概念、核心组件（Buffer、Channel、Selector）及代码示例，希望能帮助你更好地理解 NIO 的应用。

下一步，你可以尝试使用NIO实现简单的 Web 服务器或聊天室，进一步加深对非阻塞 I/O 的理解！💡

在接下来的文章中，我们将继续探讨Java中的多线程以及其他重要特性，敬请期待！

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