Java NIO 概述

共计 4156 个字符，预计需要花费 11 分钟才能阅读完成。

2.1 Java NIO介绍

在传统的Java I/O模型中，I/O操作是以BIO的方式进行的。这就意味着，当一个线程执行I/O操作时，它会被阻塞直到操作完成。这种阻塞模型在高并发连接时可能会导致性能瓶颈，因为需要为每个连接建立一个线程，而线程的创建和切换都是由开销的。
为了解决上述问题，自JDK 1.4（JDK 4）起引入了一种新的I/O模型-NIO。NIO弥补了BIO的不足，它在Java中提供了非阻塞、面向缓冲、基于通道的I/O，可以使用少量的线程来处理多个连接，大大提高了I/O效率和并发。

2.2 Java NIO核心三大组件

Java NIO中主要包括三个核心组件：

• Channel(通道)：Channel是NIO中进行I/O操作的核心组件，它代表了一个连接到I/O设备的通道，Channel主要分为两类：
  • FileChannel：用于文件IO操作的通道；
  • SelectableChannel：用于网络IO操作的通道；
• Buffer(缓冲区)：Buffer时NIO中用于存储数据的缓冲区，所有NIO的I/O操作都是通过Buffer进行的。Buffer可以存储不同类型的数据，例如byte、char、short、int、long、float、double。
• Selector(选择器)：Selector是NIO中用于监视多个Channel事件的组件，它可以同时监视多个Channel的状态，并只处理那些已经就绪的Channel。Selector可以用于实现非阻塞I/O，从而提高应用程序的性能。

2.3 Java NIO的工作方式

Java NIO的工作方式就是通过核心三大组件实现：

• 应用程序通过Channel进行I/O操作；
• 数据通过Buffer进行存储；
• Selector监听多个Channel状态

2.4 Java NIO Buffer

Buffer是一个对象，它包含一些要写入或者要读出的数据。在NIO类库中加入Buffer对象，体现了新库与原I/O的一个重要区别。在面向流的I/O中，可以将数据直接卸乳或者将数据直接读到Stream对象中。
在NIO库中，所有数据都是用缓冲区(Buffer)处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据都是通过缓冲区进行操作。
缓冲区本质上是一个数组，通常是字节数组ByteBuffer，它提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置等信息。
除了字节类型的缓冲区外，Java基本类型都有对应的一种缓冲区。

2.5 Java NIO Channel

Channel是一个通道，可以通过它读取和写入数据，它就像自来水管一样，网络数据通过Channel读取和写入。通道与流的不同之处在于通道是双向的，流只是在一个方向上移动，而且通道可以用于读、写或读写同时进行。
因为Channel是全双工的，所以它可以比流更好地映射底层操作系统的API。特别是在UNIX网络编程模型中，底层操作系统的通道都是全双工的，同时支持读写操作。

2.6 Java NIO Selector

Selector，多路复用器，是Java NIO编程的基础。Selector提供选择已经就绪的任务的能力，简单来讲：Selector会不断地轮询 注册在自己身上的Channel，如果某个Channel上面有新的TCP连接接入、读和写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以获取就绪Channel的集合，进行后续的I/O操作。
一个Selector可以同时轮询多个Channel，由于Java NIO使用了epoll()代替传统的select实现，所以它并没有最大连接句柄的限制，这就意味着只需要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成千上万的客户端。
Selector可以监听以下四种事件类型：

• SelectionKey.OP_ACCEPT:通道接受连接的事件，通常用于ServerSocketChannel，即服务端；
• SelectionKey.OP_CONNECT:通道完成连接的事件，通常用于SocketChannel，即客户端；
• SelectionKey.OP_READ:通道准备好进行读取的事件，即有数据可读。
• SelectionKey.OP_WRITE:通道准备好进行写入的事件，即有数据可写入。

2.7 Java NIO 案例

本节将通过NIO实现一个简单的服务端案例,该服务端通过监听本地某端口，将所有连接到本端口的网络信息转发回去。

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 DemoService {
    private static final int DEFAULT_PORT = 8765;
    public static void main(String[] args) {
        int port = DEFAULT_PORT;
        if(args != null && args.length > 0){
            try {
                port = Integer.valueOf(args[0]);
            }catch (NumberFormatException e){
                System.out.println("未指定端口，将采用默认端口["+DEFAULT_PORT+"]启动");
            }
        }
        Service service = new Service(port);
        new Thread(service).run();

    }
    private static class Service implements Runnable{
        private boolean stop = false;
        private Selector selector;
        private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
        public Service(int port){
            try {
                selector = Selector.open();
                serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
                serverSocketChannel.configureBlocking(false);
                serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
                // 注册连接事件
                serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
                System.out.println("服务端已启动["+port+"]!");
            }catch (IOException e){
                e.printStackTrace();
                System.exit(1);
            }
        }

        @Override
        public void run() {
            while (!stop){
                try {
                    selector.select(1000);
                    Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                    Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
                    SelectionKey key = null;
                    while(it.hasNext()){
                        key = it.next();
                        it.remove();
                        try {
                            handle(key);
                        }catch (Exception e){
                            if(key != null){
                                key.cancel();
                                if(key.channel() != null){
                                    key.channel().close();
                                }
                            }
                        }
                    }
                }catch (IOException e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if(selector != null){
                try {
                    selector.close();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        // 处理轮询到的事件
        private void handle(SelectionKey key) throws IOException {
        // 处理监听事件
            if(key.isAcceptable()){
                ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                SocketChannel sc = channel.accept();
                System.out.println("连接成功");
                sc.configureBlocking(false);
                sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
            }
            // 处理可读数据就绪事件 即客户端发来了信息
            if(key.isReadable()){
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                buffer.put(new String("服务端信息:").getBytes());
                SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                int read = channel.read(buffer);
                if(read > 0){
                    buffer.flip();
                    buffer.put(0,new String("服务端消息:").getBytes());
                    // 写入数据
                    channel.write(buffer);
                    buffer.clear();
                }else if(read == -1){
                    channel.close();
                }
            }
        }

        public void stop(){
            stop = true;
        }
    }
}

启动服务端，通过telnet localhost 8765连接服务端，并发送信息进行测试：