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Java NIO（New I/O）

news 来源：原创 2025/5/21 6:03:32

一、理论说明

1. NIO 的定义

Java NIO 是从 Java 1.4 版本开始引入的一套新的 I/O API，它提供了与标准 I/O 不同的工作方式。NIO 以块（Buffer）为基本处理单位，采用非阻塞（Non-blocking）模式，并引入了选择器（Selector）机制，使得单线程可以同时处理多个 I/O 通道，大幅提高了 I/O 效率，尤其适用于高并发场景。

2. NIO 与传统 I/O 的区别

特性	传统 I/O（java.io）	NIO（java.nio）
处理方式	基于流（Stream），单向传输	基于缓冲区（Buffer），双向传输
阻塞模式	阻塞 I/O（BIO）	非阻塞 I/O（NIO）
通道	无	有（Channel）
选择器	无	有（Selector），支持多路复用
面向对象	面向字节流或字符流	面向缓冲区和通道
适用场景	连接数目少且固定的架构	连接数目多且短的架构（如聊天服务器）

二、核心组件

1. 缓冲区（Buffer）

缓冲区是一个用于存储特定基本类型数据的容器，所有数据都通过缓冲区处理。主要缓冲区类型有：ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer等，最常用的是ByteBuffer。

import java.nio.ByteBuffer;public class BufferExample {public static void main(String[] args) {// 创建容量为10的ByteBufferByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);// 写入数据buffer.put((byte) 'H');buffer.put((byte) 'e');buffer.put((byte) 'l');buffer.put((byte) 'l');buffer.put((byte) 'o');// 切换为读模式buffer.flip();// 读取数据while(buffer.hasRemaining()) {System.out.print((char) buffer.get());}// 输出: Hello}
}

缓冲区的三个核心属性：

capacity：缓冲区的最大容量
position：当前读写位置
limit：读写的上限（写模式下等于 capacity，读模式下等于实际写入的数据量）

2. 通道（Channel）

通道是对原 I/O 包中的流的模拟，可以通过它读取和写入数据。通道与流的不同之处在于通道是双向的，而流是单向的（只能读或写）。主要通道类型有：

FileChannel：用于文件读写
SocketChannel：用于 TCP 客户端
ServerSocketChannel：用于 TCP 服务器
DatagramChannel：用于 UDP 通信

3. 选择器（Selector）

选择器是 NIO 的核心，它允许单线程处理多个通道。通过注册通道到选择器并监听各种事件（如连接、接受、读、写），实现了单线程管理多个客户端连接的能力。

import java.nio.channels.*;
import java.io.IOException;public class SelectorExample {public static void main(String[] args) throws IOException {// 创建选择器Selector selector = Selector.open();// 创建通道并注册到选择器ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();serverChannel.configureBlocking(false);serverChannel.socket().bind(new java.net.InetSocketAddress(8080));serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);// 轮询选择器while (true) {int readyChannels = selector.select();if (readyChannels == 0) continue;// 处理就绪的通道java.util.Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();java.util.Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();while (keyIterator.hasNext()) {SelectionKey key = keyIterator.next();if (key.isAcceptable()) {// 处理新连接} else if (key.isReadable()) {// 处理读事件}keyIterator.remove();}}}
}

三、文件操作示例

以下是使用 NIO 进行文件复制的示例：

import java.io.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;public class FileCopyExample {public static void main(String[] args) {try (FileInputStream fin = new FileInputStream("source.txt");FileOutputStream fout = new FileOutputStream("target.txt");FileChannel inChannel = fin.getChannel();FileChannel outChannel = fout.getChannel()) {// 创建缓冲区ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 读取数据到缓冲区，然后写入目标通道while (inChannel.read(buffer) != -1) {buffer.flip();  // 切换为读模式outChannel.write(buffer);buffer.clear(); // 清空缓冲区，准备下一次读取}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

四、网络编程示例（非阻塞服务器）

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;public class NioServer {private static final int PORT = 8080;private Selector selector;private ServerSocketChannel serverChannel;public NioServer() {try {// 初始化选择器和服务器通道selector = Selector.open();serverChannel = ServerSocketChannel.open();serverChannel.configureBlocking(false);serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);System.out.println("服务器启动，监听端口: " + PORT);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public void start() {try {while (true) {// 阻塞等待就绪的通道selector.select();Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();iterator.remove();if (key.isAcceptable()) {// 处理新连接ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel clientChannel = ssc.accept();clientChannel.configureBlocking(false);clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);System.out.println("新客户端连接: " + clientChannel.getRemoteAddress());} else if (key.isReadable()) {// 处理读事件SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);int bytesRead = clientChannel.read(buffer);if (bytesRead > 0) {buffer.flip();byte[] data = new byte[buffer.remaining()];buffer.get(data);String message = new String(data, "UTF-8");System.out.println("收到消息: " + message);// 回显消息给客户端ByteBuffer response = ByteBuffer.wrap(("服务器已收到: " + message).getBytes());clientChannel.write(response);} else if (bytesRead == -1) {// 客户端关闭连接System.out.println("客户端断开连接: " + clientChannel.getRemoteAddress());clientChannel.close();}}}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) {new NioServer().start();}
}