本文介绍了Java NIO（New IO）的核心概念和技术特点，包括通道（Channels）、缓冲区（Buffers）和选择器（Selectors）的基本用法。讨论了NIO与传统IO的区别，如面向缓冲区而非流、支持异步IO及单线程处理多通道的能力。
Java NIO（New IO）是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，可以替代标准的Java IO API。
Java NIO提供了与标准IO不同的IO工作方式：
- Channels and Buffers（通道和缓冲区）：标准的IO基于字节流和字符流进行操作的，而NIO是基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。
- Asynchronous IO（异步IO）：Java NIO可以让你异步的使用IO，例如：当线程从通道读取数据到缓冲区时，线程还是可以进行其他事情。当数据被写入到缓冲区时，线程可以继续处理它。从缓冲区写入通道也类似。
- Selectors（选择器）：Java NIO引入了选择器的概念，选择器用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个的线程可以监听多个数据通道。
- Channels
- Buffers
- Selectors
Channel 和 Buffer
基本上，所有的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 有点象流。 数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer 写到Channel中。这里有个图示：
Channel和Buffer有好几种类型。下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的实现：
- FileChannel
- DatagramChannel
- SocketChannel
- ServerSocketChannel
与这些类一起的有一些有趣的接口，但为简单起见，我尽量在概述中不提到它们。本教程其它章节与它们相关的地方我会进行解释。
以下是Java NIO里关键的Buffer实现：
- ByteBuffer
- CharBuffer
- DoubleBuffer
- FloatBuffer
- IntBuffer
- LongBuffer
- ShortBuffer
Java NIO 还有个 Mappedyteuffer，用于表示内存映射文件， 我也不打算在概述中说明。
Selector
Selector允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如，在一个聊天服务器中。
这是在一个单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示：
要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新连接进来，数据接收等。
Java NIO和IO的主要区别
下表总结了Java NIO和IO之间的主要差别，我会更详细地描述表中每部分的差异。
| IO | NIO |
| Stream oriented | Buffer oriented |
| Blocking IO | Non blocking IO |
| Selectors |
面向流与面向缓冲
Java NIO和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。 Java 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。
阻塞与非阻塞IO
Java 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。 Java 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，所以直至数据变的可以读取之前，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）。
选择器（Selectors）
Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。
NIO和IO如何影响应用程序的设计
无论您选择IO或NIO工具箱，可能会影响您应用程序设计的以下几个方面：
- 对NIO或IO类的API调用。
- 数据处理。
- 用来处理数据的线程数。
当然，使用NIO的API调用时看起来与使用IO时有所不同，但这并不意外，因为并不是仅从一个InputStream逐字节读取，而是数据必须先读入缓冲区再处理。
数据处理
使用纯粹的NIO设计相较IO设计，数据处理也受到影响。
在IO设计中，我们从InputStream或 Reader逐字节读取数据。假设你正在处理一基于行的文本数据流，例如：
- Name: Anna
- Age: 25
- Email: anna@mailserver.com
- Phone: 1234567890
该文本行的流可以这样处理：
- InputStream input = … ; // get the InputStream from the client socket
- BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));
- String nameLine = reader.readLine();
- String ageLine = reader.readLine();
- String emailLine = reader.readLine();
- String phoneLine = reader.readLine();
请注意处理状态由程序执行多久决定。换句话说，一旦reader.readLine()方法返回，你就知道肯定文本行就已读完， readline()阻塞直到整行读完，这就是原因。你也知道此行包含名称；同样，第二个readline()调用返回的时候，你知道这行包含年龄等。 正如你可以看到，该处理程序仅在有新数据读入时运行，并知道每步的数据是什么。一旦正在运行的线程已处理过读入的某些数据，该线程不会再回退数据（大多如此）。下图也说明了这条原则：
从一个阻塞的流中读数据
而一个NIO的实现会有所不同，下面是一个简单的例子：
- ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
- int bytesRead = inChannel.read(buffer);
注意第二行，从通道读取字节到ByteBuffer。当这个方法调用返回时，你不知道你所需的所有数据是否在缓冲区内。你所知道的是，该缓冲区包含一些字节，这使得处理有点困难。
假设第一次 read(buffer)调用后，读入缓冲区的数据只有半行，例如，“Name:An”，你能处理数据吗？显然不能，需要等待，直到整行数据读入缓存，在此之前，对数据的任何处理毫无意义。
所以，你怎么知道是否该缓冲区包含足够的数据可以处理呢？好了，你不知道。发现的方法只能查看缓冲区中的数据。其结果是，在你知道所有数据都在缓冲区里之前，你必须检查几次缓冲区的数据。这不仅效率低下，而且可以使程序设计方案杂乱不堪。例如：
- ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
- int bytesRead = inChannel.read(buffer);
- while(! bufferFull(bytesRead) ) {
- bytesRead = inChannel.read(buffer);
- }
bufferFull()方法必须跟踪有多少数据读入缓冲区，并返回真或假，这取决于缓冲区是否已满。换句话说，如果缓冲区准备好被处理，那么表示缓冲区满了。
bufferFull()方法扫描缓冲区，但必须保持在bufferFull（）方法被调用之前状态相同。如果没有，下一个读入缓冲区的数据可能无法读到正确的位置。这是不可能的，但却是需要注意的又一问题。
如果缓冲区已满，它可以被处理。如果它不满，并且在你的实际案例中有意义，你或许能处理其中的部分数据。但是许多情况下并非如此。下图展示了“缓冲区数据循环就绪”：
从一个通道里读数据，直到所有的数据都读到缓冲区里
总结
NIO可让您只使用一个（或几个）单线程管理多个通道（网络连接或文件），但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。
如果需要管理同时打开的成千上万个连接，这些连接每次只是发送少量的数据，例如聊天服务器，实现NIO的服务器可能是一个优势。同样，如果你需要维持许多打开的连接到其他计算机上，如P2P网络中，使用一个单独的线程来管理你所有出站连接，可能是一个优势。一个线程多个连接的设计方案如下图所示：
单线程管理多个连接
如果你有少量的连接使用非常高的带宽，一次发送大量的数据，也许典型的IO服务器实现可能非常契合。下图说明了一个典型的IO服务器设计：
一个典型的IO服务器设计：一个连接通过一个线程处理
管道（Pipe）
（本部分 原文链接，作者：Jakob Jenkov，译者：黄忠，校对：丁一）
Java NIO 管道是2个线程之间的单向数据连接。Pipe有一个source通道和一个sink通道。数据会被写到sink通道，从source通道读取。
这里是Pipe原理的图示：
创建管道
通过Pipe.open()方法打开管道。例如：
- Pipe pipe = Pipe.open();
向管道写数据
要向管道写数据，需要访问sink通道。像这样：
- Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink();
通过调用SinkChannel的write()方法，将数据写入SinkChannel,像这样：
- String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis();
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
- buf.clear();
- buf.put(newData.getBytes());
- buf.flip();
- while(buf.hasRemaining()) {
- <b>sinkChannel.write(buf);</b>
- }
从管道读取数据
从读取管道的数据，需要访问source通道，像这样：
- Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source();
调用source通道的read()方法来读取数据，像这样：
- ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
- int bytesRead = inChannel.read(buf);
read()方法返回的int值会告诉我们多少字节被读进了缓冲区。
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