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Java NIO(New I/O)

2025/5/21 10:00:24 来源:https://blog.csdn.net/SSSYUsssyu/article/details/148098496  浏览:    关键词:Java NIO(New I/O)

一、理论说明

1. NIO 的定义

Java NIO 是从 Java 1.4 版本开始引入的一套新的 I/O API,它提供了与标准 I/O 不同的工作方式。NIO 以块(Buffer)为基本处理单位,采用非阻塞(Non-blocking)模式,并引入了选择器(Selector)机制,使得单线程可以同时处理多个 I/O 通道,大幅提高了 I/O 效率,尤其适用于高并发场景。

2. NIO 与传统 I/O 的区别

特性传统 I/O(java.io)NIO(java.nio)
处理方式基于流(Stream),单向传输基于缓冲区(Buffer),双向传输
阻塞模式阻塞 I/O(BIO)非阻塞 I/O(NIO)
通道有(Channel)
选择器有(Selector),支持多路复用
面向对象面向字节流或字符流面向缓冲区和通道
适用场景连接数目少且固定的架构连接数目多且短的架构(如聊天服务器)

二、核心组件

1. 缓冲区(Buffer)

缓冲区是一个用于存储特定基本类型数据的容器,所有数据都通过缓冲区处理。主要缓冲区类型有:ByteBufferCharBufferIntBuffer等,最常用的是ByteBuffer

import java.nio.ByteBuffer;public class BufferExample {public static void main(String[] args) {// 创建容量为10的ByteBufferByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);// 写入数据buffer.put((byte) 'H');buffer.put((byte) 'e');buffer.put((byte) 'l');buffer.put((byte) 'l');buffer.put((byte) 'o');// 切换为读模式buffer.flip();// 读取数据while(buffer.hasRemaining()) {System.out.print((char) buffer.get());}// 输出: Hello}
}

缓冲区的三个核心属性:

  • capacity:缓冲区的最大容量
  • position:当前读写位置
  • limit:读写的上限(写模式下等于 capacity,读模式下等于实际写入的数据量)

2. 通道(Channel)

通道是对原 I/O 包中的流的模拟,可以通过它读取和写入数据。通道与流的不同之处在于通道是双向的,而流是单向的(只能读或写)。主要通道类型有:

  • FileChannel:用于文件读写
  • SocketChannel:用于 TCP 客户端
  • ServerSocketChannel:用于 TCP 服务器
  • DatagramChannel:用于 UDP 通信

3. 选择器(Selector)

选择器是 NIO 的核心,它允许单线程处理多个通道。通过注册通道到选择器并监听各种事件(如连接、接受、读、写),实现了单线程管理多个客户端连接的能力。

import java.nio.channels.*;
import java.io.IOException;public class SelectorExample {public static void main(String[] args) throws IOException {// 创建选择器Selector selector = Selector.open();// 创建通道并注册到选择器ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();serverChannel.configureBlocking(false);serverChannel.socket().bind(new java.net.InetSocketAddress(8080));serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);// 轮询选择器while (true) {int readyChannels = selector.select();if (readyChannels == 0) continue;// 处理就绪的通道java.util.Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();java.util.Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();while (keyIterator.hasNext()) {SelectionKey key = keyIterator.next();if (key.isAcceptable()) {// 处理新连接} else if (key.isReadable()) {// 处理读事件}keyIterator.remove();}}}
}

三、文件操作示例

以下是使用 NIO 进行文件复制的示例:

import java.io.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;public class FileCopyExample {public static void main(String[] args) {try (FileInputStream fin = new FileInputStream("source.txt");FileOutputStream fout = new FileOutputStream("target.txt");FileChannel inChannel = fin.getChannel();FileChannel outChannel = fout.getChannel()) {// 创建缓冲区ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 读取数据到缓冲区,然后写入目标通道while (inChannel.read(buffer) != -1) {buffer.flip();  // 切换为读模式outChannel.write(buffer);buffer.clear(); // 清空缓冲区,准备下一次读取}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

四、网络编程示例(非阻塞服务器)

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;public class NioServer {private static final int PORT = 8080;private Selector selector;private ServerSocketChannel serverChannel;public NioServer() {try {// 初始化选择器和服务器通道selector = Selector.open();serverChannel = ServerSocketChannel.open();serverChannel.configureBlocking(false);serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);System.out.println("服务器启动,监听端口: " + PORT);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public void start() {try {while (true) {// 阻塞等待就绪的通道selector.select();Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();iterator.remove();if (key.isAcceptable()) {// 处理新连接ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel clientChannel = ssc.accept();clientChannel.configureBlocking(false);clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);System.out.println("新客户端连接: " + clientChannel.getRemoteAddress());} else if (key.isReadable()) {// 处理读事件SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);int bytesRead = clientChannel.read(buffer);if (bytesRead > 0) {buffer.flip();byte[] data = new byte[buffer.remaining()];buffer.get(data);String message = new String(data, "UTF-8");System.out.println("收到消息: " + message);// 回显消息给客户端ByteBuffer response = ByteBuffer.wrap(("服务器已收到: " + message).getBytes());clientChannel.write(response);} else if (bytesRead == -1) {// 客户端关闭连接System.out.println("客户端断开连接: " + clientChannel.getRemoteAddress());clientChannel.close();}}}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) {new NioServer().start();}
}

五、面试题

题目:

答案:

六、自我总结

Java NIO 通过引入缓冲区、通道和选择器,提供了一种高效的 I/O 处理方式,尤其适合高并发场景。相比传统 I/O,NIO 的主要优势在于:

  1. 非阻塞 I/O 允许单线程处理多个连接,减少线程开销
  2. 选择器机制实现了高效的事件驱动模型
  3. 缓冲区操作简化了数据处理流程
  4. 通道支持双向数据传输

然而,NIO 的编程模型相对复杂,需要理解缓冲区状态转换、事件轮询等概念。在实际应用中,应根据具体场景选择合适的 I/O 方式:

  • 对于连接数少且稳定的场景,传统 I/O 可能更简单
  • 对于高并发、短连接的场景,NIO 是更好的选择
  • 对于超高性能需求,可以考虑使用 NIO 2.0(AIO,异步 I/O)

NIO 是 Java 网络编程的核心技术之一,广泛应用于各种高性能服务器、中间件和分布式系统中。

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