Java NIO

最新推荐文章于 2025-09-12 18:08:49 发布

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概述

这段时间看了不少java NIO的教程，网上找到的基本都是大同小异。源头都出自一位老外的技术分享：NIO教程。基于这些知识点结合自己的理解在这里阐述一下。

三大核心组件

NIO中由三大核心组件，分别是Channel、Buffer、Selector。

Channel和Buffer

Channel和Buffer就类似于java IO中的Stream，NIO通过Channel读取数据到Buffer中或者从Buffer中写入数据到Channel，而IO中的Stream要么只能读取要么只能写入。Channel的读写可以设置成非阻塞。Channel和Buffer相比于Stream的不同点：

同一个Buffer有写入模式和读取模式（flip方法切换），同一个Stream只读或者只写
Channel可以设置成非阻塞，Stream都是阻塞的

Buffer

NIO中的Buffer，可以理解为缓冲区，Channel中的数据必须通过Buffer流转。我们可以往Buffer中写数据，也可以从Buffer中读数据。

Buffer中定义了4个属性：mark、position、limit、capacity，并且保证mark <= position <= limit <= capacity。每个属性代表不同的意思：

position，用于保存读写的位置，初始为0，写一个数据或者读一个数据，position就往后移动一个位置，position++，调用flip方法position=0；
limit，是可写或者可读的限制，初始为capacity，调用flip方法会将position赋值给limit，limit=position；
capacity，容量初始设置就不变了
mark，用来标记用，调用mark方法设置标记mark=position，调用reset方法将position重置到上次设置的位置position=mark；

由于Buffer的设计限制，Buffer只能要么写要么读，要正确的将数据从Buffer中读取出来，记得必须调用flip方法。

Buffer写数据
调用flip方法
Buffer读取数据
调用clear方法

Buffer中几个方法都是被final修饰，不能被子类重写

flip

public final Buffer flip() {
    limit = position;
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

clear

清空数据只是几个属性被重置成初始状态


public final Buffer clear() {
    position = 0;
    limit = capacity;
    mark = -1;
    return this;
}

rewind

rewind方法重置position，表示重写，或者重读

public final Buffer rewind() {
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

Selector

Selector对象用来监控多个Channel的状态，一次select能够将已经准备就绪的Channel挑选出来，然后可以对这些Channel进行相应的IO操作。这样就用一个Selector对象就能管理多个Channel连接了。

传统的Socket中，一个ServerSocket对象每次accept一个Socket连接，然后使用这个Socket的InputStream和OutputStream分别进行读写，直到这个Socket关闭之前这都是阻塞的。特别处理长连接的情况下，在这个Socket关闭之前，可能大部分时间内都可能没有数据进行传输，但是还是必须阻塞着。为了避免被一个Socket阻塞而影响下一个Socket的accept，一般的做法都是用一个Thread处理一个Socket，这样的做法虽然解决了阻塞的问题，但是衍生出另一个问题，就是会随着Socket的增加而产生很多的Thread，而且大部分时间内这些Thread都是没什么事情可做，非常浪费系统资源。

为了解决传统Socket中的问题，NIO定义了Selector。一个Selector能够监控多个Channel的状态，不管是ServerSocketChannel还是SocketChannel，都可以注册到一个Selector上。Selector在一次select后，会把已经准备就绪的Channel挑选出来，然后可以对这些Channel进行相应的IO操作。每个Channel的就绪状态分别为read、write、connect、accept，根据不同状态处理不同的方法，处理完了之后，下一次如果又准备就绪了还会被Selector再一次select出来，这样每个Channel都能被Selector多次复用。而且就算是长连接每次也只处理一种事件类型，这样也不会造成阻塞，只要一个线程就够了。这种模型就能作用只使用一个线程就可以操作大量的客户端连接。

Selector和Reactor模式和IO多路复用，这三者到底是什么关系？

register方法

需要使用Selector监控，必须首先注册，通过调用SelectableChannel.register()方法。Channel调用这个方法，使用必须配置为非阻塞的，并且注册的时候需要指定这个Channel所关注的事件，分为read、write、connect、accept。当这个Channel所关注的事件准备就绪之后，Selector才会通过select方法返回。~~比如，一个Channel的read事件就绪了，但是在注册到Selector的时候没有关注read类型，那么Selector也不会select出来，可以查看Channel的translateReadyOps方法。~~

SelectionKey

调用register方法返回SelectionKey对象，对象关联了Channel、Selector、还包括Channel所关注的事件（interestOps），和这个Channel准备就绪的事件（readyOps）。

select方法

Selector对象通过一次select方法，返回准备就绪满足条件的Channel数量，如果>0，后续调用selectedKeys方法返回SelectionKey的set集合。通过迭代set，对不同的事件进行不同的处理。

select方法是一个阻塞方法，知道有Channel就绪了才会返回，也可以被wakeup方法唤醒。select方法有一个重载方法，select(timeout)，超时返回。selectNow方法非阻塞，都没有可用就绪的Channel就返回0。Selector的select方法，每次返回这个调用以来的准备就绪的Channel，比如第一次select有一个就绪，返回1，再一次调用又有一个就绪，还是返回1

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();

Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();

while(keyIterator.hasNext()) {
    
    SelectionKey key = keyIterator.next();

    if(key.isAcceptable()) {
        // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.

    } else if (key.isConnectable()) {
        // a connection was established with a remote server.

    } else if (key.isReadable()) {
        // a channel is ready for reading

    } else if (key.isWritable()) {
        // a channel is ready for writing
    }
    // 必须remove掉，因为SelectionKey不会自己remove，我们处理完一个Channel必须remove掉
    keyIterator.remove();
}

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