Java 网络通信编程（9）：从 BIO 到 NIO

一、BIO 和 NIO

在我们之前的网络通信编程项目中，我们用的是传统的BIO 模型。但随着互联网高并发、大流量的需求升级，BIO 的瓶颈愈发明显， NIO 成为了高并发编程的核心方案。那么什么是 BIO？什么是 NIO？二者的核心特点与本质区别又是什么？

1.BIO

BIO 全称 Blocking IO，是我们最常使用的同步阻塞式 IO。用户线程主动发起 IO 请求，并且需要等待 IO 操作完成才能继续执行，IO 过程中线程会被挂起，无法做其他任务。结合我们之前的编程经验，它的一些特点可以总结如下：

阻塞贯穿全程：服务端 accept() 等待客户端连接时会阻塞；客户端连接后，read() / write() 读写数据时也会阻塞。
一连接一线程：每一个客户端连接，服务端都需要创建一个独立线程专门处理，连接断开线程销毁。
基于流（Stream）操作 ：数据以字节流 / 字符流的形式传输，流是单向的。
无缓冲区：数据直接在程序和 IO 设备之间传输，没有中间缓冲层。

这些特点带来了 BIO 的一些原生缺陷：并发连接数过高时，会创建大量线程，导致服务器内存溢出、CPU 负载过高，同时线程闲置率却极高，资源利用率极低，导致它仅适合连接数少、并发量低的场景。

2.NIO

NIO 全称 New IO ，也被称为 Non-blocking IO（同步非阻塞 IO）。它弥补了 BIO 的性能缺陷，是主流高并发网络框架的底层基础。它的一些核心特点如下：

非阻塞：线程发起连接、读写请求时，不会被挂起；如果没有数据 / 连接，会直接返回，线程可以去处理其他任务。
多路复用 ：一个线程可以管理成百上千个客户端连接，通过**选择器（Selector）**监听所有连接的事件，有事件才处理。
基于缓冲区（Buffer） ：NIO 最核心的设计，所有数据读写必须通过 Buffer，Buffer 是数据的载体，也是我们下一节重点讲解的内容。
基于通道（Channel） ：数据通过 Channel 传输，Channel 是双向的（可读可写），效率远高于 BIO 的单向流。

对比 BIO，NIO 有一些明显机制优势：首先它线程数量极少，资源占用极低，而且非阻塞和多路复用使其并发能力呈指数级提升，因此它适合高并发、长连接、大量客户端的场景。

二、Buffer

1.四个核心参数

NIO 所有数据读写必须经过 Buffer ，Buffer 是 NIO 程序中最常用、最基础 的组件，所以我们本期先来讲解 Buffer 的四个核心参数。

1.capacity（容量） ：缓冲区的固定最大大小 ，创建缓冲区时指定，一旦确定无法修改。代表缓冲区最多能存储多少个数据单元。

2.limit（界限 / 限制）： 数据操作的上限边界。

写模式：表示最多可以写入多少数据
读模式：表示最多可以读取多少有效数据，limit 之后的位置，禁止读写。

3.position（当前位置）： 读写指针的下一个操作位置，初始值为 0。每写入 / 读取一个数据，position 自动向后移动一位，始终指向待操作的位置。

4.mark（标记）： 备忘标记位，用于记录指定的 position 位置 。调用 mark() 记录位置，调用 reset() 可以直接回到标记点，初始值为 -1（未设置标记）。

我们可以通过创建缓冲区和写入数据两步操作，直观观察参数的动态变化。

java 复制代码

public class BufferDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 1. 分配容量为10的字节缓冲区，默认【写模式】
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        System.out.println("capacity:"+buffer.capacity());
        System.out.println("limit:"+buffer.limit());
        System.out.println("position:"+buffer.position());

        // 2. 连续写入4个字节数据：A、B、C、D
        buffer.put((byte)'A');
        buffer.put((byte)'B');
        buffer.put((byte)'C');
        buffer.put((byte)'D');
        System.out.println(" ------------------------ ");
        System.out.println("capacity:"+buffer.capacity());
        System.out.println("limit:"+buffer.limit());
        System.out.println("position:"+buffer.position());
        // 剩余可操作空间：limit - position
        System.out.println("remaining:"+buffer.remaining());
        System.out.println(" ------------------------ ");
    }
}

首先执行 ByteBuffer.allocate 开辟一个固定容量为 10 的字节缓冲区，它默认处于写模式。 接着执行 4 次 put() 方法，写入字符 A,B,C,D：每调用 1 次 put() ，position 自动 +1 （指针向后移动一位），写入 4 个数据后，position 从 0 变为 4，而 capacity 和 limit 始终保持不变 。此外新增方法 remaining() 计算剩余可操作空间。

执行结果：

下面我们再来看一下 mark () 标记 和 reset () 重置 操作。

java 复制代码

public class BufferDemo {

    public static void main(String[] args) {
        //
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        System.out.println("capacity:"+buffer.capacity());
        System.out.println("limit:"+buffer.limit());
        System.out.println("position:"+buffer.position());

        buffer.put((byte)'A');
        buffer.put((byte)'B');
        buffer.mark();
        buffer.put((byte)'C');
        buffer.put((byte)'D');
        System.out.println(" ------------------------ ");
//        System.out.println("capacity:"+buffer.capacity());
//        System.out.println("limit:"+buffer.limit());
//        System.out.println("position:"+buffer.position());
//        System.out.println("remaining:"+buffer.remaining());
        System.out.println("limit:"+buffer.limit());
        System.out.println("position1:"+buffer.position());
        buffer.reset(); //回到标记位置
        System.out.println("position2:"+buffer.position());
        System.out.println("char : "+(char)buffer.get());
        System.out.println("remaining:"+buffer.remaining());
        System.out.println(" ------------------------ ");
    }
}

我们在写入字符 A、B 后调用 mark()，将此时的 position 位置记录下来作为标记点，后续继续写入 C、D 使 position 向后移动，再通过 reset() 方法，就能让 position 直接回到之前 mark() 标记的位置，这两个方法就像给缓冲区添加了书签，可以随时回到指定的操作位置，配合 get() 读取数据，读取的是当前 position=2 位置的字符 C。

2.Buffer 读写切换

我们在上文掌握了写模式 的基础上，新增了flip () 读模式切换、hasRemaining() 遍历读取、rewind() 重置指针三个核心操作，这是 NIO Buffer从写入到读取的必备流程。

java 复制代码

public class BufferDemo {

    public static void main(String[] args) {
        //
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        System.out.println("capacity:"+buffer.capacity());
        System.out.println("limit:"+buffer.limit());
        System.out.println("position:"+buffer.position());

        buffer.put((byte)'A');
        buffer.put((byte)'B');
        buffer.put((byte)'C');
        buffer.put((byte)'D');
        System.out.println(" ------------------------ ");
        System.out.println(" ------------------------ ");

        buffer.flip(); //切换成读数据模型
        //取出所有数据:计算缓冲区可读取数据个数
        while(buffer.hasRemaining()){
            System.out.println((char)buffer.get());
        }
        //重重 position
        buffer.rewind();
        System.out.println("rewind = "+(char)buffer.get());
    }
}

flip() 是 Buffer 从写模式转为读模式的方法，调用后会将 limit 设置为写入结束后的 position 值（本例中为 4），同时把 position 重置为 0，以此划定有效数据的可读范围。之后通过 hasRemaining() 判断是否存在未读数据，配合 get() 方法循环遍历读取，每读取一次数据 position 就自动向后移动一位，依次打印出 A、B、C、D。最后调用 rewind() 方法重置读取指针，该方法会将 position 重新置为 0 且保持 limit 不变，让我们直接从头再次读取缓冲区内容，因此能够获取到字符 A。

以上是对于 Buffer 基础的讲解，之后我们还将学习选择器、通道这些其他 NIO 组件基础。