很多技術框架都使用NIO技術，學習和掌握Java NIO技術對于高性能、高并發(fā)網(wǎng)絡的應用是非常關鍵的@mikechen

NIO簡介

NIO 中的 N 可以理解為 Non-blocking，不單純是 New，是解決高并發(fā)、I/O高性能的有效方式。

Java NIO是Java1.4之后推出來的一套IO接口，NIO提供了一種完全不同的操作方式， NIO支持面向緩沖區(qū)的、基于通道的IO操作。

新增了許多用于處理輸入輸出的類，這些類都被放在java.nio包及子包下，并且對原java.io包中的很多類進行改寫，新增了滿足NIO的功能。

NIO VS BIO

BIO

BIO全稱是Blocking IO，同步阻塞式IO，是JDK1.4之前的傳統(tǒng)IO模型。

Java BIO：服務器實現(xiàn)模式為一個連接一個線程，即客戶端有連接請求時服務器端就需要啟動一個線程進行處理，如下圖所示：

雖然此時服務器具備了高并發(fā)能力，即能夠同時處理多個客戶端請求了，但是卻帶來了一個問題，隨著開啟的線程數(shù)目增多，將會消耗過多的內存資源，導致服務器變慢甚至崩潰，NIO可以一定程度解決這個問題。

NIO

Java NIO： 同步非阻塞，服務器實現(xiàn)模式為一個線程處理多個請求(連接)，即客戶端發(fā)送的連接請求都會注冊到多路復用器上，多路復用器輪詢到連接有I/O請求就進行處理。

一個線程中就可以調用多路復用接口（java中是select）阻塞同時監(jiān)聽來自多個客戶端的IO請求，一旦有收到IO請求就調用對應函數(shù)處理，NIO擅長1個線程管理多條連接，節(jié)約系統(tǒng)資源。

NIO的核心實現(xiàn)

NIO 包含3個核心的組件：

• Channel(通道)
• Buffer(緩沖區(qū))
• Selector(選擇器)

關系圖的說明:

• 每個 Channel 對應一個 Buffer。
• Selector 對應一個線程，一個線程對應多個 Channel。
• 該圖反應了有三個 Channel 注冊到該 Selector。
• 程序切換到那個 Channel 是由事件決定的（Event）。
• Selector 會根據(jù)不同的事件，在各個通道上切換。
• Buffer 就是一個內存塊，底層是有一個數(shù)組。
• 數(shù)據(jù)的讀取和寫入是通過 Buffer，但是需要flip()切換讀寫模式，而 BIO 是單向的，要么輸入流要么輸出流。

Channel(通道)

Channel 是 NIO 的核心概念，它表示一個打開的連接，這個連接可以連接到 I/O 設備（例如：磁盤文件，Socket）或者一個支持 I/O 訪問的應用程序，Java NIO 使用緩沖區(qū)和通道來進行數(shù)據(jù)傳輸。

通道的主要實現(xiàn)類：

FileChannel類

本地文件IO通道，用于讀取、寫入、映射和操作文件的通道，使用文件通道操作文件的一般流程為：

1）獲取通道

文件通道通過 FileChannel 的靜態(tài)方法 open() 來獲取，獲取時需要指定文件路徑和文件打開方式。

// 獲取文件通道
FileChannel.open(Paths.get(fileName), StandardOpenOption.READ);

2）創(chuàng)建字節(jié)緩沖區(qū)

文件相關的字節(jié)緩沖區(qū)有兩種，一種是基于堆的 HeapByteBuffer，另一種是基于文件映射，放在堆外內存中的 MappedByteBuffer。

// 分配字節(jié)緩存
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(10);

3）讀寫操作

讀取數(shù)據(jù)

一般需要一個循環(huán)結構來讀取數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)時需要注意切換 ByteBuffer 的讀寫模式。

while (channel.read(buf) != -1){ // 讀取通道中的數(shù)據(jù)，并寫入到 buf 中
    buf.flip(); // 緩存區(qū)切換到讀模式
    while (buf.position() < buf.limit()){ // 讀取 buf 中的數(shù)據(jù)
        text.append((char)buf.get());
    }
    buf.clear(); // 清空 buffer，緩存區(qū)切換到寫模式
}

寫入數(shù)據(jù)

for (int i = 0; i < text.length(); i++) {
    buf.put((byte)text.charAt(i)); // 填充緩沖區(qū)，需要將 2 字節(jié)的 char 強轉為 1 自己的 byte
    if (buf.position() == buf.limit() || i == text.length() - 1) { // 緩存區(qū)已滿或者已經(jīng)遍歷到最后一個字符
        buf.flip(); // 將緩沖區(qū)由寫模式置為讀模式
        channel.write(buf); // 將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫到通道
        buf.clear(); // 清空緩存區(qū)，將緩沖區(qū)置為寫模式，下次才能使用
    }
}

4）將數(shù)據(jù)刷出到物理磁盤，F(xiàn)ileChannel 的 force(boolean metaData) 方法可以確保對文件的操作能夠更新到磁盤。

channel.force(false);

5）關閉通道

channel.close();

SocketChannel類

網(wǎng)絡套接字IO通道，TCP協(xié)議，針對面向流的連接套接字的可選擇通道（一般用在客戶端）。

TCP 客戶端使用 SocketChannel 與服務端進行交互的流程為：

1）打開通道，連接到服務端。

SocketChannel channel = SocketChannel.open(); // 打開通道，此時還沒有打開 TCP 連接
channel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9090)); // 連接到服務端

2）分配緩沖區(qū)

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(10); // 分配一個 10 字節(jié)的緩沖區(qū)，不實用，容量太小

3）配置是否為阻塞方式。（默認為阻塞方式）

channel.configureBlocking(false); // 配置通道為非阻塞模式

4）與服務端進行數(shù)據(jù)交互

5）關閉連接

channel.close();          // 關閉通道

ServerSocketChannel類

網(wǎng)絡通信IO操作，TCP協(xié)議，針對面向流的監(jiān)聽套接字的可選擇通道（一般用于服務端），流程如下：

1）打開一個 ServerSocketChannel 通道, 綁定端口。

ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open(); // 打開通道

2）綁定端口

server.bind(new InetSocketAddress(9090)); // 綁定端口

3）阻塞等待連接到來，有新連接時會創(chuàng)建一個 SocketChannel 通道，服務端可以通過這個通道與連接過來的客戶端進行通信。等待連接到來的代碼一般放在一個循環(huán)結構中。

SocketChannel client = server.accept(); // 阻塞，直到有連接過來

4）通過 SocketChannel 與客戶端進行數(shù)據(jù)交互

5）關閉 SocketChannel

client.close();

Buffer(緩沖區(qū))

緩沖區(qū) Buffer 是 Java NIO 中一個核心概念，在NIO庫中，所有數(shù)據(jù)都是用緩沖區(qū)處理的。

在讀取數(shù)據(jù)時，它是直接讀到緩沖區(qū)中的,在寫入數(shù)據(jù)時，它也是寫入到緩沖區(qū)中的,任何時候訪問 NIO 中的數(shù)據(jù)，都是將它放到緩沖區(qū)中。

而在面向流I/O系統(tǒng)中，所有數(shù)據(jù)都是直接寫入或者直接將數(shù)據(jù)讀取到Stream對象中。

Buffer 數(shù)據(jù)類型

從類圖中可以看到，7 種數(shù)據(jù)類型對應著 7 種子類，這些名字是 Heap 開頭子類，數(shù)據(jù)是存放在 JVM 堆中的。

MappedByteBuffer

而 MappedByteBuffer 則是存放在堆外的直接內存中，可以映射到文件。

通過java.nio包和MappedByteBuffer允許Java程序直接從內存中讀取文件內容，通過將整個或部分文件映射到內存，由操作系統(tǒng)來處理加載請求和寫入文件，應用只需要和內存打交道，這使得IO操作非常快。

Mmap內存映射和普通標準IO操作的本質區(qū)別在于它并不需要將文件中的數(shù)據(jù)先拷貝至OS的內核IO緩沖區(qū)，而是可以直接將用戶進程私有地址空間中的一塊區(qū)域與文件對象建立映射關系，這樣程序就好像可以直接從內存中完成對文件讀/寫操作一樣。

只有當缺頁中斷發(fā)生時，直接將文件從磁盤拷貝至用戶態(tài)的進程空間內，只進行了一次數(shù)據(jù)拷貝，對于容量較大的文件來說（文件大小一般需要限制在1.5~2G以下），采用Mmap的方式其讀/寫的效率和性能都非常高，大家熟知的RocketMQ就使用了該技術。

Buffer數(shù)據(jù)流程

應用程序可以通過與 I/O 設備建立通道來實現(xiàn)對 I/O 設備的讀寫操作，操作的數(shù)據(jù)通過緩沖區(qū) Buffer 來進行交互。

從 I/O 設備讀取數(shù)據(jù)時：

1）應用程序調用通道 Channel 的 read() 方法；

2）通道往緩沖區(qū) Buffer 中填入 I/O 設備中的數(shù)據(jù)，填充完成之后返回；

3）應用程序從緩沖區(qū) Buffer 中獲取數(shù)據(jù)。

往 I/O 設備寫數(shù)據(jù)時：
1）應用程序往緩沖區(qū) Buffer 中填入要寫到 I/O 設備中的數(shù)據(jù)；
2）調用通道 Channel 的 write() 方法，通道將數(shù)據(jù)傳輸至 I/O 設備。

緩沖區(qū)核心方法

緩沖區(qū)存取數(shù)據(jù)的兩個核心方法：

1）put():存入數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)

• put(byte b)：將給定單個字節(jié)寫入緩沖區(qū)的當前位置
• put(byte[] src)：將 src 中的字節(jié)寫入緩沖區(qū)的當前位置
• put(int index, byte b)：將指定字節(jié)寫入緩沖區(qū)的索引位置(不會移動 position)

2）get():獲取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)

• get() ：讀取單個字節(jié)
• get(byte[] dst)：批量讀取多個字節(jié)到 dst 中
• get(int index)：讀取指定索引位置的字節(jié)(不會移動 position)

Selector(選擇器)

Selector類是NIO的核心類，Selector（選擇器）選擇器提供了選擇已經(jīng)就緒的任務的能力。

Selector會不斷的輪詢注冊在上面的所有channel，如果某個channel為讀寫等事件做好準備，那么就處于就緒狀態(tài)，通過Selector可以不斷輪詢發(fā)現(xiàn)出就緒的channel，進行后續(xù)的IO操作。

一個Selector能夠同時輪詢多個channel，這樣，一個單獨的線程就可以管理多個channel，從而管理多個網(wǎng)絡連接，這樣就不用為每一個連接都創(chuàng)建一個線程，同時也避免了多線程之間上下文切換導致的開銷。

選擇器使用步驟

1 獲取選擇器

與通道和緩沖區(qū)的獲取類似，選擇器的獲取也是通過靜態(tài)工廠方法 open() 來得到的。

Selector selector = Selector.open(); // 獲取一個選擇器實例

2 獲取可選擇通道

能夠被選擇器監(jiān)控的通道必須實現(xiàn)了 SelectableChannel 接口，并且需要將通道配置成非阻塞模式，否則后續(xù)的注冊步驟會拋出 IllegalBlockingModeException。

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 9090)); // 打開 SocketChannel 并連接到本機 9090 端口
socketChannel.configureBlocking(false); // 配置通道為非阻塞模式

3 將通道注冊到選擇器

通道在被指定的選擇器監(jiān)控之前，應該先告訴選擇器，并且告知監(jiān)控的事件，即：將通道注冊到選擇器。

通道的注冊通過 SelectableChannel.register(Selector selector, int ops) 來完成，ops 表示關注的事件，如果需要關注該通道的多個 I/O 事件，可以傳入這些事件類型或運算之后的結果。這些事件必須是通道所支持的，否則拋出 IllegalArgumentException。

socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE); // 將套接字通過到注冊到選擇器，關注 read 和 write 事件
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE); // 將套接字通過到注冊到選擇器，關注 read 和 write 事件

4 輪詢 select 就緒事件

通過調用選擇器的 Selector.select() 方法可以獲取就緒事件，該方法會將就緒事件放到一個 SelectionKey 集合中，然后返回就緒的事件的個數(shù)。這個方法映射多路復用 I/O 模型中的 select 系統(tǒng)調用，它是一個阻塞方法。正常情況下，直到至少有一個就緒事件，或者其它線程調用了當前 Selector 對象的 wakeup() 方法，或者當前線程被中斷時返回。

while (selector.select() > 0){ // 輪詢，且返回時有就緒事件
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys(); // 獲取就緒事件集合
.......
}

有 3 種方式可以 select 就緒事件：

1）select() 阻塞方法，有一個就緒事件，或者其它線程調用了 wakeup() 或者當前線程被中斷時返回。

2）select(long timeout) 阻塞方法，有一個就緒事件，或者其它線程調用了 wakeup()，或者當前線程被中斷，或者阻塞時長達到了 timeout 時返回。不拋出超時異常。

3）selectNode() 不阻塞，如果無就緒事件，則返回 0；如果有就緒事件，則將就緒事件放到一個集合，返回就緒事件的數(shù)量。

5 處理就緒事件

每次可以 select 出一批就緒的事件，所以需要對這些事件進行迭代。

for(SelectionKey key : keys){
if(key.isWritable()){ // 可寫事件
if("Bye".equals( (line = scanner.nextLine()) )){
socketChannel.shutdownOutput();
socketChannel.close();
break;
}
buf.put(line.getBytes());
buf.flip();
socketChannel.write(buf);
buf.compact();
}
}

從一個 SelectionKey 對象可以得到：1）就緒事件的對應的通道；2）就緒的事件。通過這些信息，就可以很方便地進行 I/O 操作。

NIO源碼案例

NIOServer

public static void main(String[] args) throws  Exception{
        //創(chuàng)建ServerSocketChannel，-->> ServerSocket
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(5555);
        serverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);
        serverSocketChannel.configureBlocking(false); //設置成非阻塞
        //開啟selector,并注冊accept事件
        Selector selector = Selector.open();
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        while(true) {
            selector.select(2000);  //監(jiān)聽所有通道
            //遍歷selectionKeys
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                if(key.isAcceptable()) {  //處理連接事件
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);  //設置為非阻塞
                    System.out.println("client:" + socketChannel.getLocalAddress() + " is connect");
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); //注冊客戶端讀取事件到selector
                } else if (key.isReadable()) {  //處理讀取事件
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                    channel.read(byteBuffer);
                    System.out.println("client:" + channel.getLocalAddress() + " send " + new String(byteBuffer.array()));
                }
                iterator.remove();  //事件處理完畢，要記得清除
            }
        }
    }

NIOClient

public class NIOClient {
public static void main(String[] args) throws Exception{
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 5555);
        if(!socketChannel.connect(inetSocketAddress)) {
            while (!socketChannel.finishConnect()) {
                System.out.println("客戶端正在連接中，請耐心等待");
            }
        }
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap("mikechen的互聯(lián)網(wǎng)架構".getBytes());
        socketChannel.write(byteBuffer);
        socketChannel.close();
}
}

到此這篇關于全面解讀Java NIO(看這篇就夠了)的文章就介紹到這了,更多相關Java NIO內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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