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JAVA NIO学习笔记基础强化学习总结

news 2025/9/8 5:31:35

基本概念

通过前文的学习，我们用java.net包下的API实现了同步阻塞IO模型，我们用java.nio包下的API实现了同步非阻塞IO和IO多路复用模型。

Java NIO（New I/O 或者是 none-block IO）是 Java 1.4 引入的非阻塞 I/O 模型，旨在解决传统阻塞 I/O（BIO）在高并发场景下的性能瓶颈。这些API的底层在JVM层面包装的是对一些系统函数的调用，供给开发者使用的API。

包含了三大组件：通道（Channel） 缓冲区（Buffer）  选择器（Selector）

Channel

Channel是数据传输的双向通道，与流（InputStream/OutputStream）不同，Channel同时支持读写操作。

ServerSocketChannel和SocketChannel是网络读写的Channel：

ServerSocketChannel底层封装了一个服务端的Socket，SocketChannel则封装了一个客户端Socket。

FileChannel则代表了文件读写。

ServerSocketChannel：服务器连接监听

核心功能：

  • 绑定本地端口，监听客户端连接请求
  • 通过accept()方法来接受客户端连接，返回SocketChannel用于后续通信
  • 可以配置非阻塞模式，与Selector配合实现多路复用

用于服务端接收客户端连接使用，相关API如下：

初始化
工厂模式创建ServerSocketChannel,增强扩展性
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
绑定本地端口
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
配置非阻塞模式，默认是阻塞模式
serverChannel.configureBlocking(false);
=================================================================
接收连接
阻塞模式：若无连接请求，线程会一直阻塞直到有连接到达
SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();
非阻塞模式：立即返回，没有连接请求返回null
SocketChannel clientChannel = serverChannel.accpet();
if(clientChannel != null){// 通常也将客户端设置为非阻塞模式clientChannel.configureBlocking(false);
}
=================================================================
关闭通道 释放资源
serverChannel.close();

SocketChannel：客户端与服务端数据通信

核心功能：

  • 客户端通过connect()连接服务端
  • 服务端通过ServerSocketChannel.accept()返回的SocketChannel与客户端通信
  • 支持双向数据读写
  • 支持非阻塞模式，可以与Selector配合实现异步IO

主要是用于双向通信，相关API如下

创建与连接
SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();
clientChannel.configureBlocking(false);
boolean connected = clientChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
// 非阻塞模式下，连接可能未立即完成，需检查finishConnect()
if (!connected) {while (!clientChannel.finishConnect()) {// 等待连接完成（可在此处理其他任务）}
}
===========================================================================
数据读写
写入数据（返回写入的字节数）
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, Server!".getBytes());
int bytesWritten = clientChannel.write(buffer);读取数据（返回读取的字节数，可能为0）
ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int bytesRead = clientChannel.read(readBuffer);
if (bytesRead > 0) {readBuffer.flip();byte[] data = new byte[bytesRead];readBuffer.get(data);System.out.println("Received: " + new String(data));
}
===========================================================================
关闭通道 释放资源
clientChannel.close()
组件核心功能关键API
ServerSocketChannel服务端监听端口;接受客户端连接open(), bind(), accept(), configureBlocking(false)
SocketChannel客户端连接服务端;双向数据通信open(), connect(), read(), write(), finishConnect(), configureBlocking(false)

Buffer

数据缓冲区，也是一个数据容器，在JAVA NIO中数据都是用Buffer存储的。Channel读取接收到的数据先写到Buffer中，应用程序再从Buffer中读取，Channel写数据也是先写到Buffer中。

为什么要使用缓冲区？

为了通过 Buffer 的批量操作，将 多次小数据量系统调用 合并为 单次大数据量系统调用，减少内核态与用户态切换次数，显著提高网络通信的性能。

ByteBuffer是里面最常用的一个类型，因为字节类型最通用传输最高效。

ByteBuffer

创建ByteBuffer

allocate(int capacity)方法

创建的是一个HeapByteBuffer实例，数据是存储在堆区按容量开辟空间的字节数组中。

  • GC 管理：无需手动释放内存，但 GC 可能带来停顿（STW）。
  • 访问速度：Java 对象直接访问，速度快（但受 JVM 堆限制）。
  • 适用场景：大多数常规 I/O 操作，尤其是数据量较小或需要频繁 GC 的场景。

allocateDirect(int capacity)方法

创建的是一个DirectByteBuffer实例，数据是存储在操作系统直接内存中按容量开辟空间的字节数组中。

  • 手动管理：虽然 DirectByteBuffer 对象本身由 GC 管理，但堆外内存需通过 Cleaner 机制在 GC 时释放（或显式调用 sun.misc.Unsafe.freeMemory()）。
  • 访问速度：
    • 写入：比堆缓冲区慢（需通过 JNI 调用本地方法写入堆外内存）。
    • 读取：比堆缓冲区快（尤其是涉及 I/O 操作时，可避免数据拷贝）。
  • 适用场景：高频、大容量的 I/O 操作（如网络传输、文件读写），尤其是需要零拷贝的场景。
堆缓冲区（HeapByteBuffer）直接缓冲区（DirectByteBuffer）
内存分配JVM 堆内存（GC 管理）操作系统本地内存（需手动释放）
分配/释放速度快（纯 Java 操作）慢（需调用本地方法 malloc/free）
I/O 性能低（额外拷贝）高（零拷贝优化）
访问速度快（Java 对象直接访问）慢（需通过 JNI 访问堆外内存）
内存限制受 JVM 堆大小限制（-Xmx）受操作系统可用内存限制（可分配 GB 级）
适用场景小数据量、频繁 GC 的场景大数据量、高频 I/O、零拷贝场景
操作ByteBuffer

Buffer类中定义了四个索引，这些索引记录了底层数据元素的状态。

capacity：缓冲区可以容纳的数据元素的最大数量

limit：停止读写的索引

position：当前要读或写的索引，读写操作是从position开始，到limit停止

mark：用于记录position的位置，默认值为-1

flip（）：由写模式切换为读模式 通过limit = position

compact()：由读模式切换为写模式

remaining()：计算可读/写大小

操作触发方法索引调整模式变化方向
写模式→读模式flip()limit = position; position=0写 → 读（单向）
读模式→写模式clear()position=0; limit=capacity读 → 写（完全重置）
读模式→写模式compact()移动未读数据；调整position/limit读 → 写（保留未读数据）
1. 向 ByteBuffer 中写数据：核心方法是put
  • put(byte[] src)
  • put(byte[] src, int offset, int length)
  • put(ByteBuffer src)
2. 从 ByteBuffer 中读数据：核心方法是 get
  • get(byte[] dst)
  • get(byte[] dst, int offset, int length)

Selector选择器

允许单个线程高效管理多个通道（Channel），实现I/O多路复用，从而显著提升网络应用的性能和可扩展性。

selector底层封装的是IO多路复用模型 epoll ，主要功能是将Channel注册到Selector上并指定要监听的事件，selector会不断轮询注册在其上的Channel，检测其事件是否就绪；Selector每次返回已就绪Channel对应的SelectionKey,通过SelectionKey可获取事件的详细信息，然后进行后续的操作。（单线程通过事件驱动监控多个通道，仅当通道发生指定事件（如可读，可写，新连接）时才处理，避免空轮询和线程切换）

Selector支持四种事件类型，通过SelectionKey的常量定义：

  • OP_ACCEPT：服务端接收新连接
  • OP_CONNECT：客户端完成连接
  • OP_READ：通道数据可读
  • OP_WRITE：通道可写（谨慎使用，避免频繁触发）

使用Selector线程循环需要以下步骤：

  1. 调用 select（）阻塞当前线程 等待事件发生
  2. 遍历就绪事件（selectedKeys），分发处理
  3. 避免线程阻塞在 I/O 操作上面，充分利用空闲事件处理其他通道

相关 API 如下：

Selector类：

创建Selector实例，底层调用系统默认的SelectorProvider（如Linux的EPollSelectorProvider）。
Selector.open()
阻塞等待事件，超时返回。返回值为就绪通道数量。
select(long timeout)
返回就绪事件的SelectionKey集合，需手动遍历处理。
selectedKeys()
唤醒阻塞的select()，用于优雅退出事件循环。
wakeup()

SelectionKey类:

设置通道感兴趣的事件（如OP_READ | OP_WRITE）。
interestOps(int ops)
获取当前就绪的事件（如OP_READ）。
readyOps()
绑定用户对象（如Socket实例），便于事件处理时获取上下文。
attach(Object obj)
检查键是否有效（如通道关闭后键自动失效）。
isValid()

NIO完整案例

根据上述学的三大组件写一个完整的Java NIO 案例

/*** @author XJunFy*/
public class NioServer {public static void main(String[] args) {try {ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));serverSocketChannel.configureBlocking(false);Selector selector = Selector.open();SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while(true){int select = selector.select();Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();while (keyIterator.hasNext()){SelectionKey key = keyIterator.next();keyIterator.remove();processingKey(key,selector);}}} catch (IOException e) {throw new RuntimeException(e);}}private static void processingKey(SelectionKey key, Selector selector) throws IOException {if (key.isValid()){if (key.isAcceptable()){ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();socketChannel.configureBlocking(false);socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);return;}if (key.isReadable()){SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);int read = socketChannel.read(readBuffer);if (read > 0){readBuffer.flip();byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];readBuffer.get(bytes);String msg = new String(bytes, Charset.defaultCharset());System.out.println("服务端收到来自客户端的数据:" + msg);ByteBuffer sendBuffer = ByteBuffer.allocate(256);sendBuffer.put("hello nio client,i am nio server\n".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));sendBuffer.flip();socketChannel.write(sendBuffer);}return;}}}
}


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