JAVA中的IO和NIO以及Netty

最新推荐文章于 2025-05-04 14:14:13 发布

dedsec0x

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文章标签： java 开发语言后端

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/dedsec0x/article/details/121854835

本文介绍了JAVA中的IO和NIO概念，IO是面向流的，而NIO是面向缓冲区的，具有非阻塞特性。Netty是基于Java NIO的异步事件驱动网络应用框架，提供了高性能、易用的特性，广泛应用于各种网络应用中。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

一、基础知识

(一)IO和NIO的概念

IO

Java IO 也称为IO流，IO = 流，它的核心就是对文件的操作，对于字节、字符类型的输入和输出流。IO是指对数据流的输入和输出，也称为IO流，IO流主要分为两大类，字节流和字符流。字节流可以处理任何类型的数据，如图片，视频等，字符流只能处理字符类型的数据。IO流的本质是数据传输，并且流是单向的。

NIO

JAVA NIO有两种解释：一种叫非阻塞IO（Non-blocking I/O），另一种也叫新的IO（New I/O），其实是同一个概念。它是一种同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路复用的基础，已经被越来越多地应用到大型应用服务器，成为解决高并发与大量连接、I/O处理问题的有效方式。NIO是一种基于通道和缓冲区的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存（区别于JVM的运行时数据区），然后通过一个存储在java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的直接引用进行操作。这样能在一些场景显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

IO和NIO之间的区别

NIO和传统IO（一下简称IO）之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变得可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道(channel)。

(二)Netty

Netty 是基于 Java NIO 的异步事件驱动的网络应用框架，使用 Netty 可以快速开发网络应用，Netty 提供了高层次的抽象来简化 TCP 和 UDP 服务器的编程，但是你仍然可以使用底层的 API。

Netty 的内部实现是很复杂的，但是 Netty 提供了简单易用的API从网络处理代码中解耦业务逻辑。Netty 是完全基于 NIO 实现的，所以整个 Netty 都是异步的。

Netty 是最流行的 NIO 框架，它已经得到成百上千的商业、商用项目验证，许多框架和开源组件的底层 rpc 都是使用的 Netty，如 Dubbo、Elasticsearch 等等。下面是官网给出的一些 Netty 的特性：

设计方面

对各种传输协议提供统一的 API（使用阻塞和非阻塞套接字时候使用的是同一个 API，只是需要设置的参数不一样）。
基于一个灵活、可扩展的事件模型来实现关注点清晰分离。
高度可定制的线程模型——单线程、一个或多个线程池。
真正的无数据报套接字（UDP）的支持（since 3.1）。

易用性

完善的 Javadoc 文档和示例代码。
不需要额外的依赖，JDK 5 (Netty 3.x) 或者 JDK 6 (Netty 4.x) 已经足够。

性能

更好的吞吐量，更低的等待延迟。
更少的资源消耗。
最小化不必要的内存拷贝。

安全性

完整的 SSL/TLS 和 StartTLS 支持

二、基于IO的JAVA网络程序

客户端：

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

public class IOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException{
        Socket s=new Socket("192.168.128.1", 50000);

        OutputStream os=s.getOutputStream();
        os.write("hello,tcp".getBytes());

        //释放资源
        s.close();

    }

}

服务端:

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class IOSever {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建客户端的Socket对象(SevereSocket)
        //ServerSocket (int port)创建绑定到指定端口的服务器套接字
        ServerSocket ss=new ServerSocket(50000);

        //Socket accept()侦听要连接到此套接字并接受他
        Socket s=ss.accept();

        //获取输入流，读数据，并把数据显示在控制台
        InputStream is=s.getInputStream();
        byte[] bys=new byte[1024];
        int len=is.read(bys);
        String data=new String(bys,0,len);
        System.out.println("数据是："+data);

        //释放资源
        s.close();
        ss.close();
    }
}

效果：

三、NIO

服务端：

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 Server {
    //网络通信IO操作，TCP协议，针对面向流的监听套接字的可选择通道（一般用于服务端）
    private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
    private Selector selector;

    /*
     *开启服务端
     */
    public void start(Integer port) throws Exception {
        serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        selector = Selector.open();
        //绑定监听端口
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        //设置为非阻塞模式
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        //注册到Selector上
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        startListener();
    }
    private void startListener() throws Exception {
        while (true) {
            // 如果客户端有请求select的方法返回值将不为零
            if (selector.select(1000) == 0) {
                System.out.println("当前没有任务！！！");
                continue;
            }
            // 如果有事件集合中就存在对应通道的key
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            // 遍历所有的key找到其中事件类型为Accept的key
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                if (key.isAcceptable())
                    handleConnection();
                if (key.isReadable())
                    handleMsg(key);
                iterator.remove();
            }
        }
    }
    /**
     * 处理建立连接
     */
    private void handleConnection() throws Exception {
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
    }
    /*
     * 接收信息
     */
    private void handleMsg(SelectionKey key) throws Exception {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer attachment = (ByteBuffer) key.attachment();
        channel.read(attachment);
        System.out.println("当前信息: " + new String(attachment.array()));
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Server myServer = new Server();
        myServer.start(8887);
    }
}

客户端：

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class Click {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.configureBlocking(false);

        // 连接服务器
        if (!socketChannel.connect(new InetSocketAddress("192.168.0.179", 8887))) {
            while (!socketChannel.finishConnect()) {
                System.out.println("connecting...");
            }
        }
        //发送数据
        String str = "hello,物联网19级";
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
        socketChannel.write(byteBuffer);
        System.in.read();
    }

}

效果

四、Netty

服务端：

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringEncoder;

import java.net.InetSocketAddress;

/**
 *
 */
public class Server {

    private int port;

    public static void main(String[] args){
        new Server(12345).start();
    }

    public Server(int port) {
        this.port = port;
    }

    public void start() {
        /**
         * 创建两个EventLoopGroup，即两个线程池，boss线程池用于接收客户端的连接，
         * 一个线程监听一个端口，一般只会监听一个端口所以只需一个线程
         * work池用于处理网络连接数据读写或者后续的业务处理（可指定另外的线程处理业务，
         * work完成数据读写）
         */
        EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup(1);
        EventLoopGroup work = new NioEventLoopGroup();
        try {
            /**
             * 实例化一个服务端启动类，
             * group（）指定线程组
             * channel（）指定用于接收客户端连接的类，对应java.nio.ServerSocketChannel
             * childHandler（）设置编码解码及处理连接的类
             */
            ServerBootstrap server = new ServerBootstrap()
                    .group(boss, work).channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .localAddress(new InetSocketAddress(port))
                    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128)
                    .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ch.pipeline()
                                    .addLast("decoder", new StringDecoder())
                                    .addLast("encoder", new StringEncoder())
                                    .addLast(new HelloWorldServerHandler());
                        }
                    });
            //绑定端口
            ChannelFuture future = server.bind().sync();
            System.out.println("server started and listen " + port);
            future.channel().closeFuture().sync();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            boss.shutdownGracefully();
            work.shutdownGracefully();
        }
    }

    public static class HelloWorldServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

        @Override
        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
            System.out.println("HelloWorldServerHandler active");
        }

        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
            System.out.println("server channelRead..");
            System.out.println(ctx.channel().remoteAddress()+"->Server :"+ msg.toString());
            ctx.write("server write"+msg);
            ctx.flush();
        }
    }
}

客户端：

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringEncoder;

/**
 *
 */
public class Click {
    private static final String HOST = "localhost";
    private static final int PORT= 12345;

    public static void main(String[] args){
        new Click().start(HOST, PORT);
    }

    public void start(String host, int port) {
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap client = new Bootstrap().group(group).channel(NioSocketChannel.class)
                    .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true).handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ch.pipeline()
                                    .addLast("decoder", new StringDecoder())
                                    .addLast("encoder", new StringEncoder())
                                    .addLast(new HelloWorldClientHandler());
                        }
                    });
            ChannelFuture future = client.connect(host, port).sync();
            future.channel().writeAndFlush("Hello Netty Server ,I am a netty client");
            future.channel().closeFuture().sync();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            group.shutdownGracefully();

        }

    }

    public static class HelloWorldClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
        @Override
        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
            System.out.println("HelloWorldClientHandler Active");
        }

        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
            System.out.println("HelloWorldClientHandler read Message:"+msg);
        }
    }
}

效果