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wzjs 2025/9/12 14:14:48

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📌 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。

📌 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