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非阻塞式IO-Java NIO

news 来源：原创 2025/5/11 5:28:09

一、NIO简介

Java NIO是Java1.4引入的一种新的IO API，它提供了非阻塞式IO，选择器、通道、缓冲区等新的概念和机制。相比传统的IO，多出的N不单纯是新的，更表现在Non-blocking非阻塞，NIO具有更高的并发性、可扩展性以及消耗资源少的优点。

二、NIO与传统的BIO

NIO：同步非阻塞的，服务器实现模式为1一个线程处理多个连接。服务端只会创建一个线程负责管理Selector（多路复用器），Selector不断的轮询注册在其上的Channel（通道）中的IO事件，并将监听到的事件进行处理。

BIO：全称是Blocking IO，同步阻塞式IO，是JDK1.4之前的传统IO模型，服务器实现模式为一个连接一个线程，每当客户端有连接请求时服务端都会创建一个新的线程。

两者主要区别：

阻塞与非阻塞：

BIO是阻塞I/O模型，当线程执行读或写操作时，如果数据没有准备好，线程会一直阻塞，直到数据准备好或操作完成。这种模型在处理大量并发连接时，性能较差，因为每个连接都需要一个独立的线程来处理。

NIO是非阻塞I/O模型，线程在执行读或写操作时，如果数据没有准备好，线程不会阻塞，而是立即返回。线程可以继续处理其他任务，等到数据准备好时再进行处理。这种模型可以更高效地处理大量并发连接，因为一个线程可以同时处理多个连接。

同步与异步：

BIO是同步I/O模型，线程在执行I/O操作时，必须等待操作完成才能继续执行后续任务。这种模型在处理大量并发连接时，性能较差，因为每个连接都需要一个独立的线程来处理。

NIO是同步非阻塞I/O模型，线程在执行I/O操作时，不需要等待操作完成，可以继续执行其他任务。这种模型可以更高效地处理大量并发连接，因为一个线程可以同时处理多个连接。

缓冲区：

BIO使用流（Stream）进行数据传输，数据是直接从一个流传输到另一个流，没有缓冲区。这种模型在处理大量数据时，性能较差，因为每次传输的数据量较小。

NIO使用缓冲区（Buffer）进行数据传输，数据首先被写入缓冲区，然后再从缓冲区传输到目标。这种模型可以更高效地处理大量数据，因为可以一次性传输大量数据。

选择器：

BIO没有选择器（Selector）的概念，每个连接都需要一个独立的线程来处理。这种模型在处理大量并发连接时，性能较差，因为每个连接都需要一个独立的线程来处理。

NIO引入了选择器（Selector）的概念，一个线程可以通过选择器同时监控多个通道（Channel）的I/O事件。这种模型可以更高效地处理大量并发连接，因为一个线程可以同时处理多个连接。

三、NIO的工作流程

1.创建Selector

Selector是NIO的核心组件之一，用于监控多个Channel的状态。通过Selector.open()方法可以创建一个Selector实例。

Selector selector = Selector.open();

2.创建Channel并注册到Selector

Channel是NIO中用于数据传输的通道。常见的Channel类型包括SocketChannel、ServerSocketChannel和FileChannel。创建Channel后，需要将其注册到Selector上，并指定感兴趣的事件类型（如OP_READ、OP_WRITE、OP_CONNECT、OP_ACCEPT）。

ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

3.轮询Selector

通过Selector.select()方法可以轮询已注册的Channel，检查是否有事件发生。该方法会阻塞，直到至少有一个Channel上的事件发生。

while (true) {int readyChannels = selector.select();if (readyChannels == 0) continue;Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();while (keyIterator.hasNext()) {SelectionKey key = keyIterator.next();if (key.isAcceptable()) {// 处理连接事件} else if (key.isReadable()) {// 处理读事件} else if (key.isWritable()) {// 处理写事件}keyIterator.remove();}
}

4.处理事件

根据SelectionKey的事件类型，进行相应的处理。例如，如果是OP_ACCEPT事件，表示有新的客户端连接，可以调用ServerSocketChannel.accept()方法接受连接，并将新的SocketChannel注册到Selector上。

if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel client = server.accept();client.configureBlocking(false);client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}

5.读写数据

对于OP_READ和OP_WRITE事件，可以通过Buffer进行数据的读写操作。Buffer是NIO中用于存储数据的容器，常见的类型包括ByteBuffer、CharBuffer等。

if (key.isReadable()) {SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);int bytesRead = client.read(buffer);if (bytesRead > 0) {buffer.flip();byte[] data = new byte[buffer.limit()];buffer.get(data);System.out.println(new String(data));}
}

6.关闭资源

在处理完所有事件后，需要关闭Channel和Selector，释放系统资源。

serverChannel.close();
selector.close();

总结

NIO的工作流程主要包括创建Selector、注册Channel、轮询事件、处理事件以及读写数据。通过非阻塞的方式，NIO能够高效地处理大量并发连接，适用于高并发的网络应用场景。

四、NIO核心组件

Java NIO的核心组件包括Channel、Buffer、Selector等。

Channel

Channel是NIO中用于数据传输的通道，类似于传统I/O中的流，但支持双向数据传输。常见的Channel实现类包括：

FileChannel：用于文件读写。
SocketChannel：用于TCP网络通信。
ServerSocketChannel：用于监听TCP连接。
DatagramChannel：用于UDP网络通信。

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("example.com", 80));

Buffer

Buffer是NIO中用于存储数据的容器，支持读写操作。常见的Buffer实现类包括：

ByteBuffer：存储字节数据。
CharBuffer：存储字符数据。
IntBuffer：存储整数数据。
FloatBuffer：存储浮点数数据。

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("Hello, World!".getBytes());
buffer.flip();
while (buffer.hasRemaining()) {System.out.print((char) buffer.get());
}

Selector

Selector是NIO中用于多路复用的组件，允许单线程处理多个Channel。通过Selector，可以监控多个Channel的I/O事件（如连接、读、写等），并在事件发生时进行处理。

Selector selector = Selector.open();
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
channel.configureBlocking(false);
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while (true) {int readyChannels = selector.select();if (readyChannels == 0) continue;Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();while (keyIterator.hasNext()) {SelectionKey key = keyIterator.next();if (key.isReadable()) {// 处理读事件}keyIterator.remove();}
}

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