Java NIO

        作为C/C++程序员,初次听到Java NIO这个名词有点茫然。仔细学习了Java NIO的细节和用法,个人理解如下:

        其实Java NIO的功能对C程序员并不陌生,和我们经常接触的 select / poll / epoll 是类似的。本质上Java NIO在Linux 2.6内核之后就是通过epoll来实现。

        不论 Java NIO还是 C中的 select / poll / epoll, 其设计思路就是对传统的阻塞型 I/O 做补充完善,实现非阻塞 I/O;

        我们知道,在传统的阻塞型I/O中,accept()等待过程中若没有新的连接请求到来,就一直阻塞;请求读写过程在等待数据时也会阻塞。考虑到每来一个新连接通常需要开启一个新线程去处理,如果许多线程处在阻塞状态,无疑是对计算资源的浪费。

         Java NIO提供事件驱动的非阻塞型I/O,面对多个连接请求(不论是来自块设备还是Socket连接)的情况,可以把众多连接侦听放在一个或尽可能少的进程中进行管理,请求到达时则可以派发给相关线程处理。这对于处理高并发且所需响应时间很短的event,将会非常高效。

          当然,Java NIO还提供了所谓的块读写, 相比Java IO有优势。传统的Java IO, 程序需要生成Java对象(比较多的是String类型)来存储每次从连接中读到的数据,处理数据后这些临时的对象又要被释放。极端情况下,如果每次读取1字节数据,这种临时对象的创建和删除会相当低效。Java NIO提供了Buffer读写功能,数据从连接读出后直接存放到Buffer(缓存)中,无需字符串对象做中间存储,这就减少了不必要的性能和资源损耗。

          先总结这么多,若有不当之处还请Java高手指正。最后还是要Highlight 下IBM的高质量文档,下面这篇关于Java NIO入门的介绍非常经典,可以作为学习参考:

          http://www.ibm.com/developerworks/cn/education/java/j-nio/j-nio.html


Java NIO(New I/O)是Java 1.4引入的新的I/O API,用于替代标准的Java I/O API。它提供了非阻塞I/O操作,能显著提高程序的性能和可扩展性,尤其适用于处理大量并发连接的场景。 ### 核心组件 - **Channel(通道)**:Channel是对传统I/O中流的模拟,用于在缓冲区和实体(如文件、套接字)之间传输数据。常见的Channel实现有FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel和DatagramChannel等。例如,FileChannel用于文件读写,SocketChannel用于TCP网络通信。 - **Buffer(缓冲区)**:Buffer是一个用于存储特定基本类型数据的容器。所有的缓冲区都是Buffer抽象类的子类,如ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer等。使用时,数据先被写入Buffer,再从Buffer读取到Channel,反之亦然。 - **Selector(选择器)**:Selector是Java NIO实现非阻塞I/O的关键。它允许一个线程处理多个Channel的I/O事件。通过将多个Channel注册到一个Selector上,Selector可以不断轮询这些Channel,当某个Channel有可用的I/O操作时,就会被Selector选中,从而实现单线程处理多个连接的目的。 - **SelectionKey(选择键)**:SelectionKey用于维护Selector和SelectableChannel的关系,每个Channel注册到Selector时都会产生一个SelectionKey,它聚合了Channel和Selector,有点类似EventKey。通过SelectionKey可以获取对应的Channel和Selector,还可以设置和查询感兴趣的I/O事件类型,如读、写、连接和接受连接事件等 [^1]。 ### 使用指南 #### 1. 使用FileChannel进行文件读写 ```java import java.io.FileInputStream; import java.io.FileOutputStream; import java.io.IOException; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.FileChannel; public class FileChannelExample { public static void main(String[] args) { try (FileInputStream fis = new FileInputStream("input.txt"); FileOutputStream fos = new FileOutputStream("output.txt"); FileChannel inChannel = fis.getChannel(); FileChannel outChannel = fos.getChannel()) { ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); while (inChannel.read(buffer) != -1) { buffer.flip(); // 切换为读模式 outChannel.write(buffer); buffer.clear(); // 清空缓冲区,准备下一次写入 } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } ``` #### 2. 使用Selector实现非阻塞网络编程 ```java 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 NioServerExample { public static void main(String[] args) { try (ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); Selector selector = Selector.open()) { serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080)); serverSocketChannel.configureBlocking(false); serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); while (true) { int readyChannels = selector.select(); if (readyChannels == 0) continue; Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator(); while (keyIterator.hasNext()) { SelectionKey key = keyIterator.next(); if (key.isAcceptable()) { ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel(); SocketChannel socketChannel = serverChannel.accept(); socketChannel.configureBlocking(false); socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (key.isReadable()) { SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); int bytesRead = socketChannel.read(buffer); if (bytesRead > 0) { buffer.flip(); byte[] data = new byte[buffer.remaining()]; buffer.get(data); System.out.println(new String(data)); } } keyIterator.remove(); } } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } ``` ### 原理 Java NIO的非阻塞I/O原理基于操作系统的I/O多路复用机制。在传统的阻塞I/O模型中,一个线程只能处理一个连接,当线程在等待某个连接的数据时会被阻塞,无法处理其他连接。而在Java NIO中,Selector利用操作系统提供的I/O多路复用功能,如Linux的select、poll和epoll,通过一个线程监控多个Channel的I/O状态。当某个Channel有数据可读或可写时,Selector会感知到并通知应用程序进行相应的处理,从而实现单线程处理多个连接,提高了系统的并发处理能力。 ### 应用场景 - **网络编程**:在构建高性能的网络服务器时,如Web服务器、聊天服务器、游戏服务器等,Java NIO的非阻塞I/O特性可以显著减少线程数量,降低系统资源消耗,提高服务器的并发处理能力。 - **文件处理**:对于大文件的读写操作,使用FileChannel和ByteBuffer可以提高文件读写的效率,尤其是在需要随机访问文件内容时。 - **实时数据处理**:在处理实时数据流时,如视频流、音频流等,Java NIO可以高效地处理数据的传输和处理,确保数据的实时性。
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