快捷導(dǎo)航

Java?NIO中四大核心組件的使用詳解

更新時(shí)間：2023年05月11日 14:18:58 作者：蜀山劍客李沐白

Java?NIO（New?IO）是Java?1.4版本中引入的一套全新的IO處理機(jī)制，而NIO提供了四個(gè)核心組件：Channel、Buffer、Selector和SelectionKey，本文就來(lái)簡(jiǎn)單講講這四大組件的使用吧

NIO提供了四個(gè)核心組件：Channel、Buffer、Selector和SelectionKey，通過(guò)它們的協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)和同步、非同步IO操作。本文將從基礎(chǔ)概念、核心組件、使用方法等方面全面詳細(xì)地介紹Java NIO，總字?jǐn)?shù)約8000字。

一、基礎(chǔ)概念

1.1 IO和NIO的區(qū)別

Java IO和NIO的主要區(qū)別在于兩者的處理方式不同。Java IO是面向流（Stream）的，它將輸入輸出數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)侥繕?biāo)設(shè)備或文件中，以流的形式進(jìn)行讀寫(xiě)；而NIO則是面向緩沖區(qū)（Buffer）的，它將會(huì)使用緩存去管理數(shù)據(jù)，使得讀寫(xiě)操作更加快速和靈活。

特別是在網(wǎng)絡(luò)編程和高并發(fā)場(chǎng)景下，Java NIO表現(xiàn)得更為出色。Java IO在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，每個(gè)客戶(hù)端連接都需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)線程來(lái)進(jìn)行處理，這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。Java NIO則只需要一個(gè)線程就可以完成對(duì)多個(gè)客戶(hù)端連接的處理，大大減少系統(tǒng)資源的占用。

1.2 緩沖區(qū)

緩沖區(qū)是Java NIO中一個(gè)非常重要的概念，它是用來(lái)存儲(chǔ)IO操作的數(shù)據(jù)的一段連續(xù)區(qū)域。緩沖區(qū)可以在內(nèi)存中創(chuàng)建，并可以通過(guò)通道（Channel）進(jìn)行讀寫(xiě)操作，也可以作為參數(shù)傳遞給其他方法。除此之外，緩沖區(qū)還有特定的類(lèi)型，例如ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer等。

不同類(lèi)型的緩沖區(qū)都包含以下幾個(gè)基本屬性：

Capacity：容量，緩沖區(qū)中最多可以存儲(chǔ)的元素?cái)?shù)量；
Position：當(dāng)前位置，下一個(gè)要被讀取或?qū)懭氲奈恢茫?/li>
Limit：限制，緩沖區(qū)中的限制，表示可以讀寫(xiě)的元素?cái)?shù)量；
Mark：標(biāo)記，可以讓緩沖區(qū)記住一個(gè)position或limit的值，通過(guò)調(diào)用reset()方法來(lái)恢復(fù)到這些值。

緩沖區(qū)的讀寫(xiě)操作都會(huì)修改position和limit屬性，例如在從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，position屬性會(huì)自動(dòng)向后移動(dòng)，而limit屬性則不會(huì)更改，因此讀取操作只能讀取到limit位置之前的數(shù)據(jù)。

1.3 通道

通道（Channel）是Java NIO中網(wǎng)絡(luò)或文件IO操作的抽象，它類(lèi)似于傳統(tǒng)IO中的Stream，但是它更加靈活和高效。通道可以和緩沖區(qū)一起使用，讓數(shù)據(jù)直接在緩沖區(qū)之間進(jìn)行傳輸，可以使用Selector選擇器實(shí)現(xiàn)非阻塞IO操作。

通道主要分為以下四種類(lèi)型：

FileChannel：用于文件讀寫(xiě)操作；
DatagramChannel：用于UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信；
SocketChannel：用于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信；
ServerSocketChannel：用于監(jiān)聽(tīng)TCP連接請(qǐng)求。

在使用NIO進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程時(shí)，我們常常使用SocketChannel和ServerSocketChannel來(lái)實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端與服務(wù)器之間的通信。使用FileChannel可以完成對(duì)本地文件的讀寫(xiě)操作，使用DatagramChannel可以發(fā)送和接收UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)包。

1.4 選擇器和選擇鍵

選擇器（Selector）和選擇鍵（SelectionKey）是Java NIO提供的另外兩個(gè)核心組件。選擇器用于檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)通道的狀態(tài)，并且可以根據(jù)通道狀態(tài)進(jìn)行非阻塞選擇操作。而選擇鍵則是一種將通道和選擇器進(jìn)行關(guān)聯(lián)的機(jī)制。

使用選擇器可以實(shí)現(xiàn)單線程管理多個(gè)通道的方式，以此實(shí)現(xiàn)高并發(fā)IO操作。在選擇器的模型中，每個(gè)通道都會(huì)注冊(cè)到一個(gè)選擇器上，并且每個(gè)通道都有一個(gè)其唯一的選擇鍵對(duì)象來(lái)代表這個(gè)通道。選擇鍵對(duì)象包含幾個(gè)標(biāo)志位，表示通道的當(dāng)前狀態(tài)等信息。

選擇器可以監(jiān)聽(tīng)多個(gè)通道的事件，例如連接就緒、讀取數(shù)據(jù)就緒、寫(xiě)入數(shù)據(jù)就緒等等。當(dāng)有一個(gè)或多個(gè)通道的事件就緒時(shí)，選擇器就會(huì)自動(dòng)返回這些通道的選擇鍵，我們可以通過(guò)選擇鍵獲取到對(duì)應(yīng)的通道，然后進(jìn)行相應(yīng)的操作。

二、核心組件

Java NIO包含了四個(gè)核心組件：Channel、Buffer、Selector和SelectionKey。下面我們將分別介紹這四個(gè)組件的作用和使用方法。

2.1 Channel

Channel是Java NIO中網(wǎng)絡(luò)通信和文件IO操作的抽象，類(lèi)似于傳統(tǒng)IO中的Stream。它可以支持雙向讀寫(xiě)操作，并且可以通過(guò)緩沖區(qū)來(lái)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取或?qū)懭?。通常情況下，我們會(huì)創(chuàng)建一個(gè)Channel對(duì)象，然后將其綁定到一個(gè)Socket、File、Pipe等資源上進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

NIO中主要提供了以下幾種類(lèi)型的Channel：

FileChannel：用于文件讀寫(xiě)操作；
DatagramChannel：用于UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信；
SocketChannel：用于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信；
ServerSocketChannel：用于監(jiān)聽(tīng)TCP連接請(qǐng)求。

我們可以通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的工廠方法來(lái)創(chuàng)建不同類(lèi)型的Channel。

2.1.1 FileChannel

FileChannel是Java NIO中對(duì)本地文件讀寫(xiě)操作的封裝。正如其名字所示，F(xiàn)ileChannel對(duì)象是針對(duì)文件的Channel，通過(guò)FileInputStream或FileOutputStream來(lái)獲取。通過(guò)FileChannel，我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的讀取和寫(xiě)入操作，也可以使用它的position()方法來(lái)控制讀寫(xiě)位置，并配合Buffer進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。

下面是一個(gè)使用FileChannel讀取文件的例子：

public static void main(String[] args) throws IOException {
    RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("test.txt", "rw");
    FileChannel channel = file.getChannel();
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    int bytesRead = channel.read(buffer);
    while (bytesRead != -1) {
        buffer.flip();
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get());
        }
        buffer.clear();
        bytesRead = channel.read(buffer);
    }
    file.close();
}

在這個(gè)例子中，我們使用FileChannel讀取一個(gè)名為test.txt的文本文件。首先，我們獲取到了一個(gè)文件對(duì)象，并通過(guò)它的getChannel()方法來(lái)獲取FileChannel對(duì)象；然后，我們創(chuàng)建一個(gè)容量為1024的ByteBuffer緩沖區(qū)來(lái)接收讀取到的數(shù)據(jù)。循環(huán)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，我們將緩沖區(qū)的limit和position屬性進(jìn)行調(diào)整，以便緩沖區(qū)可以正常存儲(chǔ)和處理讀取到的數(shù)據(jù)。

2.1.2 DatagramChannel

DatagramChannel是Java NIO中對(duì)UDP協(xié)議通信的封裝。通過(guò)DatagramChannel對(duì)象，我們可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收UDP數(shù)據(jù)包。它與TCP協(xié)議不同的是，UDP協(xié)議沒(méi)有連接的概念，所以無(wú)需像SocketChannel一樣先建立連接再開(kāi)始通信。

下面是一個(gè)使用DatagramChannel發(fā)送和接收UDP數(shù)據(jù)包的例子：

public static void main(String[] args) throws IOException {
    DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
    channel.configureBlocking(false);
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    Scanner scanner = new Scanner(System.in);
    while (scanner.hasNext()) {
        String message = scanner.next();
        buffer.put(message.getBytes());
        buffer.flip();
        channel.send(buffer, new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888));
        buffer.clear();
        channel.receive(buffer);
        buffer.flip();
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get());
        }
        buffer.clear();
    }
    channel.close();
}

在這個(gè)例子中，我們創(chuàng)建了一個(gè)DatagramChannel對(duì)象，并調(diào)用configureBlocking(false)方法將其設(shè)置為非阻塞模式。然后，通過(guò)Scanner類(lèi)獲取用戶(hù)輸入的消息，將消息存放到ByteBuffer緩沖區(qū)中，并使用send()方法將其發(fā)送出去。接著，我們調(diào)用receive()方法來(lái)接收對(duì)方發(fā)送回來(lái)的消息，并將其打印到控制臺(tái)上。

2.1.3 SocketChannel

SocketChannel是Java NIO中對(duì)TCP協(xié)議通信的封裝。通過(guò)SocketChannel對(duì)象，我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)TCP連接的建立和通信交互。與傳統(tǒng)的Socket操作不同的是，SocketChannel基于非阻塞IO模式，可以在同一個(gè)線程內(nèi)同時(shí)管理多個(gè)通信連接，從而提高系統(tǒng)的并發(fā)處理能力。

下面是一個(gè)使用SocketChannel發(fā)送和接收TCP數(shù)據(jù)的例子：

public static void main(String[] args) throws IOException {
    SocketChannel channel = SocketChannel.open();
    channel.configureBlocking(false);
    channel.connect(new InetSocketAddress("bing.com", 80));
    while (!channel.finishConnect()) {
        // 等待連接建立完成
    }
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    String requestHeader = "GET / HTTP/1.1\r\n" +
                 "Host: www.bing.com\r\n" +
                 "Connection: Keep-Alive\r\n\r\n";
    buffer.put(requestHeader.getBytes());
    buffer.flip();
    while (buffer.hasRemaining()) {
        channel.write(buffer);
    }
    buffer.clear();
    while (channel.read(buffer) != -1) {
        buffer.flip();
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get());
        }
        buffer.clear();
    }
    channel.close();
}

在這個(gè)例子中，我們創(chuàng)建了一個(gè)SocketChannel對(duì)象，并調(diào)用configureBlocking(false)方法將其設(shè)置為非阻塞模式。然后，我們使用connect()方法來(lái)建立與目標(biāo)主機(jī)的TCP連接，并使用finishConnect()方法等待連接的建立完成。

接著，我們構(gòu)造了一個(gè)HTTP請(qǐng)求頭部，并將其存放到ByteBuffer緩沖區(qū)中，使用write()方法將其發(fā)送出去。最后，我們循環(huán)讀取SocketChannel中的數(shù)據(jù)，將其打印到控制臺(tái)上。

2.1.4 ServerSocketChannel

ServerSocketChannel是Java NIO中用于監(jiān)聽(tīng)TCP連接請(qǐng)求的封裝。通過(guò)ServerSocketChannel，我們可以監(jiān)聽(tīng)來(lái)自客戶(hù)端的連接請(qǐng)求，并創(chuàng)建相應(yīng)的SocketChannel對(duì)象進(jìn)行通信交互。與傳統(tǒng)的ServerSocket不同的是，ServerSocketChannel基于非阻塞IO模式，可以在同一個(gè)線程內(nèi)同時(shí)管理多個(gè)客戶(hù)端連接請(qǐng)求，從而提高系統(tǒng)的并發(fā)處理能力。

下面是一個(gè)使用ServerSocketChannel監(jiān)聽(tīng)TCP連接請(qǐng)求的例子：

public static void main(String[] args) throws IOException {
    ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
    serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));
    serverChannel.configureBlocking(false);
    while (true) {
        SocketChannel channel = serverChannel.accept();
        if (channel != null) {
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int bytesRead = channel.read(buffer);
            while (bytesRead != -1) {
                buffer.flip();
                while (buffer.hasRemaining()) {
                    System.out.print((char) buffer.get());
                }
                buffer.clear();
                bytesRead = channel.read(buffer);
            }
            channel.close();
        }
    }
}

在這個(gè)例子中，我們創(chuàng)建了一個(gè)ServerSocketChannel對(duì)象，并通過(guò)bind()方法將其綁定到本地的8888端口上。然后，我們使用configureBlocking(false)方法將其設(shè)置為非阻塞模式，并啟動(dòng)一個(gè)無(wú)限循環(huán)來(lái)接收客戶(hù)端連接請(qǐng)求。

當(dāng)一個(gè)客戶(hù)端連接請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，我們調(diào)用accept()方法來(lái)接收它，并創(chuàng)建一個(gè)與客戶(hù)端通信的SocketChannel對(duì)象。接著，我們讀取SocketChannel中的數(shù)據(jù)，并將其打印到控制臺(tái)上，完成一次客戶(hù)端請(qǐng)求的處理。

2.2 Buffer

Buffer是Java NIO中用于存儲(chǔ)IO操作數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)組件，它提供了一種更加高效、可控的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)方式。在進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作時(shí)，我們需要將數(shù)據(jù)存放到Buffer中，并且使用相應(yīng)的方法對(duì)其進(jìn)行操作。

NIO中主要提供了以下幾種類(lèi)型的Buffer：

ByteBuffer：用于存儲(chǔ)字節(jié)數(shù)據(jù)；
CharBuffer：用于存儲(chǔ)字符數(shù)據(jù)；
ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer和DoubleBuffer：用于存儲(chǔ)各種基本類(lèi)型數(shù)據(jù)。

使用Buffer的方式具有一定的規(guī)律性，通常情況下，我們都需要遵循以下幾個(gè)步驟：

創(chuàng)建Buffer對(duì)象；
存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到Buffer中；
調(diào)用flip()方法將Buffer從寫(xiě)模式切換為讀模式；
從Buffer中讀取數(shù)據(jù)；
調(diào)用clear()或compact()方法清空或壓縮Buffer。

下面是一個(gè)使用ByteBuffer實(shí)現(xiàn)文件讀取功能的例子：

public static void main(String[] args) throws IOException {
    FileInputStream inputStream = new FileInputStream("test.txt");
    FileChannel channel = inputStream.getChannel();
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    int bytesRead = channel.read(buffer);
    while (bytesRead != -1) {
        buffer.flip();
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get());
        }
        buffer.clear();
        bytesRead = channel.read(buffer);
    }
    inputStream.close();
}

在這個(gè)例子中，我們創(chuàng)建了一個(gè)ByteBuffer緩沖區(qū)，并調(diào)用FileChannel的read()方法將文件中的數(shù)據(jù)讀取到緩沖區(qū)中。然后，我們調(diào)用flip()方法將緩沖區(qū)從寫(xiě)模式切換為讀模式，使用get()方法逐個(gè)獲取緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成字符類(lèi)型輸出到控制臺(tái)上。

2.3 Selector

Selector是Java NIO中用于網(wǎng)絡(luò)通信的多路復(fù)用器組件，它可以監(jiān)控多個(gè)通道的IO操作狀態(tài)，并在狀態(tài)就緒時(shí)將其返回給程序處理。使用Selector可以實(shí)現(xiàn)單線程管理多個(gè)通道的方式，以此實(shí)現(xiàn)高并發(fā)IO操作。

下面是一個(gè)使用Selector進(jìn)行TCP連接監(jiān)聽(tīng)的例子：

public static void main(String[] args) throws IOException {
    Selector selector = Selector.open();
    ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
    serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));
    serverChannel.configureBlocking(false);
    serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    while (true) {
        int readyCount = selector.select();
        if (readyCount == 0) {
            continue;
        }
        Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
        Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
        while (keyIterator.hasNext()) {
            SelectionKey key = keyIterator.next();
            if (key.isAcceptable()) {
                SocketChannel channel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
                channel.configureBlocking(false);
                channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            } else if (key.isReadable()) {
                SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                int bytesRead = channel.read(buffer);
                while (bytesRead != -1) {
                    buffer.flip();
                    while (buffer.hasRemaining()) {
                        System.out.print((char) buffer.get());
                    }
                    buffer.clear();
                    bytesRead = channel.read(buffer);
                }
                channel.close();
            }
            keyIterator.remove();
        }
    }
}

在這個(gè)例子中，我們創(chuàng)建了一個(gè)Selector對(duì)象，并通過(guò)ServerSocketChannel的register()方法將其注冊(cè)到Selector上，監(jiān)聽(tīng)其連接請(qǐng)求的就緒狀態(tài)。當(dāng)有新的客戶(hù)端連接請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，我們調(diào)用accept()方法來(lái)接受它，并將其SocketChannel對(duì)象注冊(cè)到Selector上，監(jiān)聽(tīng)其讀取數(shù)據(jù)的就緒狀態(tài)。

在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，如果有數(shù)據(jù)到達(dá)，則Selector會(huì)檢測(cè)到其可讀性，然后調(diào)用對(duì)應(yīng)的處理方法進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和處理。最后，我們通過(guò)調(diào)用SelectionKey對(duì)象的remove()方法從Selector中移除監(jiān)聽(tīng)鍵，以便下次可以再詳細(xì)說(shuō)明一下上面的例子：

在while循環(huán)中，我們首先調(diào)用Selector的select()方法來(lái)檢測(cè)當(dāng)前是否有通道讀寫(xiě)事件就緒。如果沒(méi)有就緒的事件，則select()方法會(huì)阻塞，直到有事件發(fā)生為止。

如果有事件就緒，則調(diào)用selectedKeys()方法獲取所有就緒的SelectionKey對(duì)象，并通過(guò)迭代器依次處理每個(gè)事件。

如果當(dāng)前事件是連接請(qǐng)求事件，我們使用ServerSocketChannel的accept()方法接受該連接請(qǐng)求，并將其register()到Selector上進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)讀取操作。

如果當(dāng)前事件是可讀事件，我們通過(guò)SelectionKey對(duì)象獲取對(duì)應(yīng)的SocketChannel，并從中讀取數(shù)據(jù)，完成讀取后，關(guān)閉SocketChannel對(duì)象。

最后，我們通過(guò)調(diào)用SelectionKey對(duì)象的remove()方法從Selector中移除監(jiān)聽(tīng)鍵，以便下次可以重新注冊(cè)。

Selector不僅可以監(jiān)聽(tīng)TCP連接請(qǐng)求，還可以監(jiān)聽(tīng)其他網(wǎng)絡(luò)事件，如可讀、可寫(xiě)等。通過(guò)Selector的多路復(fù)用機(jī)制，我們可以在單線程內(nèi)同時(shí)管理多個(gè)通道的網(wǎng)絡(luò)IO事件，從而提高系統(tǒng)的并發(fā)處理能力。