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java.nio 包详解

news 2025/10/19 7:22:21

java.nio（New I/O）是 Java 1.4 引入的高性能 I/O API，提供了比传统 java.io 更高效的 I/O 操作方式，特别适合处理大量数据和高并发场景。

核心组件

1. 缓冲区（Buffers）

核心类：

ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer
MappedByteBuffer（内存映射文件缓冲区）

基本用法：

// 创建缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);  // 堆缓冲区
ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);  // 直接缓冲区// 写入数据
buffer.put((byte)1);
buffer.putInt(123);
buffer.putDouble(3.14);// 切换为读模式
buffer.flip();// 读取数据
byte b = buffer.get();
int i = buffer.getInt();
double d = buffer.getDouble();// 清空缓冲区
buffer.clear();

缓冲区状态属性：

capacity：缓冲区容量
position：当前位置
limit：读写限制
mark：标记位置

2. 通道（Channels）

核心通道类：

FileChannel：文件通道
SocketChannel、ServerSocketChannel：TCP 通道
DatagramChannel：UDP 通道
Pipe.SinkChannel、Pipe.SourceChannel：管道通道

文件通道示例：

// 文件读取
try (FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("file.txt"), StandardOpenOption.READ)) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);while (channel.read(buffer) > 0) {buffer.flip();// 处理数据buffer.clear();}
}// 文件写入
try (FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("file.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE)) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello NIO".getBytes());channel.write(buffer);
}

3. 选择器（Selectors）

用于非阻塞 I/O 的多路复用：

Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while (true) {selector.select();Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iter = selectedKeys.iterator();while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();if (key.isAcceptable()) {// 处理新连接SocketChannel client = serverChannel.accept();client.configureBlocking(false);client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);} else if (key.isReadable()) {// 处理读取SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);client.read(buffer);// 处理数据}iter.remove();}
}

高级特性

1. 内存映射文件（Memory-Mapped Files）

try (FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("largefile.dat"), StandardOpenOption.READ)) {MappedByteBuffer mappedBuffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, channel.size());// 直接操作内存映射区域while (mappedBuffer.hasRemaining()) {byte b = mappedBuffer.get();}
}

2. 文件锁定

try (FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("file.txt"), StandardOpenOption.WRITE)) {// 排他锁FileLock lock = channel.lock();try {// 执行写操作channel.write(ByteBuffer.wrap("Data".getBytes()));} finally {lock.release();}// 共享锁（只读）FileLock sharedLock = channel.lock(0, Long.MAX_VALUE, true);
}

3. 分散/聚集 I/O（Scatter/Gather）

// 分散读取
ByteBuffer header = ByteBuffer.allocate(128);
ByteBuffer body = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer[] buffers = {header, body};
channel.read(buffers);// 聚集写入
header.flip();
body.flip();
channel.write(buffers);

4. 文件系统操作

java.nio.file 包（NIO.2，Java 7 引入）提供了更强大的文件系统操作：

Path path = Paths.get("/path/to/file");
Files.createDirectories(path.getParent());
Files.write(path, "content".getBytes(), StandardOpenOption.CREATE);// 遍历目录
try (Stream<Path> stream = Files.list(Paths.get("/tmp"))) {stream.forEach(System.out::println);
}// 文件监控
WatchService watcher = FileSystems.getDefault().newWatchService();
Path dir = Paths.get("/path/to/watch");
dir.register(watcher, StandardWatchEventKinds.ENTRY_CREATE,StandardWatchEventKinds.ENTRY_DELETE,StandardWatchEventKinds.ENTRY_MODIFY);

性能优势

非阻塞 I/O：允许单线程管理多个通道
内存映射：直接操作文件内存映射，避免系统调用
直接缓冲区：减少 JVM 堆与本地内存间的数据拷贝
零拷贝：通过 FileChannel.transferTo/transferFrom 实现

与传统 I/O 对比

特性	java.io	java.nio
数据流	流式	基于缓冲区
阻塞模式	阻塞	可选非阻塞
多连接处理	每个连接一个线程	单线程多路复用
性能	适合少量连接	适合高并发
API 复杂度	简单	较复杂