Java笔记——Java NIO 详解

一、NIO简介

NIO 是 Java SE 1.4 引入的一组新的 I/O 相关的 API，它提供了非阻塞式 I/O、选择器、通道、缓冲区等新的概念和机制。相比与传统的 I/O 多出的 N 不是单纯的 New，更多的是代表了 Non-blocking 非阻塞，NIO具有更高的并发性、可扩展性以及更少的资源消耗等优点。

二、NIO 与传统BIO

NIO：是同步非阻塞的，服务器实现模式为 一个线程处理多个连接。服务端只会创建一个线程负责管理Selector（多路复用器），Selector（多路复用器）不断的轮询注册其上的Channel（通道）中的 I/O 事件，并将监听到的事件进行相应的处理。每个客户端与服务端建立连接时会创建一个 SocketChannel 通道，通过 SocketChannel 进行数据交互。

BIO：全称是Blocking IO，同步阻塞式IO，是JDK1.4之前的传统IO模型，服务器实现模式为一个连接一个线程。每当客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理。

两者主要区别如下：

阻塞和非阻塞：NIO 使用非阻塞式 I/O，而 BIO 使用阻塞式 I/O。在阻塞式 I/O 中，当一个 I/O 操作完成之前，线程会一直被阻塞，直到 I/O 操作完成；在非阻塞式 I/O 中，线程可以继续执行其他任务，直到 I/O 操作完成并返回结果。

线程模型：NIO 中的线程模型是基于事件驱动的，当一个 I/O 操作完成时，会触发相应的事件通知线程处理；而在 BIO 中，每个线程都负责处理一个客户端连接，需要不断地轮询客户端的输入输出流，以便及时响应客户端的请求。

内存消耗：NIO 中使用的缓冲区（Buffer）可以重复利用，减少了频繁的内存分配和回收，从而减少了内存的消耗；而在 BIO 中，每个客户端连接都需要单独分配一个缓冲区，容易造成内存的浪费。

并发性能：NIO 中使用非阻塞式 I/O，可以同时处理多个客户端连接，从而提高了并发处理能力；而在 BIO 中，由于每个客户端连接都需要一个线程来处理，当连接数量增加时，容易出现线程饥饿和资源耗尽的问题。

三、NIO 工作流程

创建 Selector：Selector 是 NIO 的核心组件之一，它可以同时监听多个通道上的 I/O 事件，并且可以通过 select() 方法等待事件的发生。

注册 Channel：通过 Channel 的 register() 方法将 Channel 注册到 Selector 上，这样 Selector 就可以监听 Channel 上的 I/O 事件。

等待事件：调用 Selector 的 select() 方法等待事件的发生，当有事件发生时，Selector 就会通知相应的线程进行处理。

处理事件：根据不同的事件类型，调用对应的处理逻辑。

关闭 Channel：当 Channel 不再需要使用时，需要调用 Channel 的 close() 方法关闭 Channel，同时也需要调用 Buffer 的 clear() 方法清空 Buffer 中的数据，以释放内存资源。

Java NIO 的工作流程可以简单概括为：通过 Selector 监听多个 Channel 上的 I/O 事件，当事件发生时，通过对应的 Channel 进行读写操作，并在 Channel 不再需要使用时关闭 Channel。

四、NIO 核心的组件

1. Channel(通道)

Channel 是应用程序与操作系统之间交互事件和传递内容的直接交互渠道，应用程序可以从管道中读取操作系统中接收到的数据，也可以向操作系统发送数据。Channel和传统IO中的Stream很相似，其主要区别为：通道是双向的，通过一个Channel既可以进行读，也可以进行写；而Stream只能进行单向操作，通过一个Stream只能进行读或者写，比如InputStream只能进行读取操作，OutputStream只能进行写操作。

1.1 常用的Channel实现类

FileChannel：本地文件IO通道，从文件中读写数据。一般流程为：

1.获取文件通道，通过 FileChannel 的静态方法 open() 来获取，获取时需要指定文件路径和文件打开方式
FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get(fileName), StandardOpenOption.READ);

2.创建字节缓冲区
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

3.读/写操作
(1)、读操作
// 循环读取通道中的数据，并写入到 buf 中
while (channel.read(buf) != -1){
    
    // 缓存区切换到读模式
    buf.flip(); 
    // 读取 buf 中的数据
    while (buf.position() < buf.limit()){
    
    	// 将buf中的数据追加到文件中
        text.append((char)buf.get());
    }
    // 清空已经读取完成的 buffer，以便后续使用
    buf.clear();
}
(2)、写操作
// 循环读取文件中的数据，并写入到 buf 中
for (int i = 0; i < text.length(); i++) {
   
    // 填充缓冲区，需要将 2 字节的 char 强转为 1 自己的 byte
    buf.put((byte)text.charAt(i)); 
    // 缓存区已满或者已经遍历到最后一个字符
    if (buf.position() == buf.limit() || i == text.length() - 1) {
    
        // 将缓冲区由写模式置为读模式
        buf.flip(); 
        // 将缓冲区的数据写到通道
        channel.write(buf); 
        // 清空已经读取完成的 buffer，以便后续使用
        buf.clear(); 
    }
}

4.将数据刷出到物理磁盘
channel.force(false);

5.关闭通道
channel.close();

1.获取文件通道，通过 FileChannel 的静态方法 open() 来获取，获取时需要指定文件路径和文件打开方式
FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get(fileName), StandardOpenOption.READ);

2.创建字节缓冲区
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);

3.读/写操作
(1)、读操作
// 循环读取通道中的数据，并写入到 buf 中
while (channel.read(buf) != -1){
    
    // 缓存区切换到读模式
    buf.flip(); 
    // 读取 buf 中的数据
    while (buf.position() < buf.limit()){
    
    	// 将buf中的数据追加到文件中
        text.append((char)buf.get());
    }
    // 清空已经读取完成的 buffer，以便后续使用
    buf.clear();
}
(2)、写操作
// 循环读取文件中的数据，并写入到 buf 中
for (int i = 0; i < text.length(); i++) {
   
    // 填充缓冲区，需要将 2 字节的 char 强转为 1 自己的 byte
    buf.put((byte)text.charAt(i)); 
    // 缓存区已满或者已经遍历到最后一个字符
    if (buf.position() == buf.limit() || i == text.length() - 1) {
    
        // 将缓冲区由写模式置为读模式
        buf.flip(); 
        // 将缓冲区的数据写到通道
        channel.write(buf); 
        // 清空已经读取完成的 buffer，以便后续使用
        buf.clear(); 
    }
}

4.将数据刷出到物理磁盘
channel.force(false);

5.关闭通道
channel.close();

SocketChannel：网络套接字IO通道，TCP协议，客户端通过 SocketChannel 与服务端建立TCP连接进行通信交互。与传统的Socket操作不同的是，SocketChannel基于非阻塞IO模式，可以在同一个线程内同时管理多个通信连接，从而提高系统的并发处理能力。

1.打开一个 SocketChannel 通道
SocketChannel channel = SocketChannel.open();

2.连接到服务端
channel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9001));

3.分配缓冲区
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); 

4.配置是否为阻塞方式（默认为阻塞方式）
channel.configureBlocking(false); // 配置通道为非阻塞模式

5.将channel的连接、读、写等事件注册到selector中，每个chanel只能注册一个事件，最后注册的一个生效,
同时注册多个事件可以使用"|"操作符将常量连接起来
Selector selector = Selector.open();
channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_WRITE | SelectionKey.OP_READ);

6.与服务端进行读写操作
channel.read(buf);
channel.write(buf);

7.关闭通道
channel.close();

1.打开一个 SocketChannel 通道
SocketChannel channel = SocketChannel.open();

2.连接到服务端
channel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9001));

3.分配缓冲区
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024); 

4.配置是否为阻塞方式（默认为阻塞方式）
channel.configureBlocking(false); // 配置通道为非阻塞模式

5.将channel的连接、读、写等事件注册到selector中，每个chanel只能注册一个事件，最后注册的一个生效,
同时注册多个事件可以使用"|"操作符将常量连接起来
Selector selector = Selector.open();
channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_WRITE | SelectionKey.OP_READ);

6.与服务端进行读写操作
channel.read(buf);
channel.write(buf);

7.关闭通道
channel.close();

ServerSocketChannel：网络套接字IO通道，TCP协议，服务端通过ServerSocketChannel监听来自客户端的连接请求，并创建相应的SocketChannel对象进行通信交互。ServerSocketChannel同样也是基于非阻塞IO模式，可以在同一个线程内同时管理多个通信连接，从而提高系统的并发处理能力。

1.打开一个 ServerSocketChannel 通道
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open()