Java进阶篇之NIO基础

📌 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。


目录

[📌 引言](#📌 引言)

[🏗 一、NIO 概述](#🏗 一、NIO 概述)

[1️⃣ 传统 I/O(BIO)的缺点](#1️⃣ 传统 I/O(BIO)的缺点)

[2️⃣ NIO 的优势](#2️⃣ NIO 的优势)

[🛠 二、NIO 的核心组件](#🛠 二、NIO 的核心组件)

[1️⃣ Buffer(缓冲区)](#1️⃣ Buffer(缓冲区))

[2️⃣ Channel(通道)](#2️⃣ Channel(通道))

[3️⃣ Selector(多路复用器)](#3️⃣ Selector(多路复用器))

[🔄 四、NIO vs 传统IO](#🔄 四、NIO vs 传统IO)

[🎯 结语](#🎯 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

复制代码
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

复制代码
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

复制代码
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

🎯 结语

Java NIO 是高性能 I/O 编程的基础,适用于高并发、低延迟的应用场景。本文介绍了 NIO 的基本概念、核心组件(Buffer、Channel、Selector)及代码示例,希望能帮助你更好地理解 NIO 的应用。

下一步,你可以尝试使用NIO实现简单的 Web 服务器或聊天室,进一步加深对非阻塞 I/O 的理解!💡

在接下来的文章中,我们将继续探讨Java中的多线程以及其他重要特性,敬请期待!

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