除了前一篇文章讲的传统的 java.io 模块，Java 还提供了更现代化、更高效的非阻塞 IO 模块，即 java.nio（New IO）。java.nio 引入了面向缓冲区（Buffer）的数据处理方式，以及多路复用器（Selector）实现的非阻塞通信模型。下面将详细讲解 java.nio 相关知识，帮助你全面了解 Java 的 IO 体系。
一、什么是 NIO？
NIO（New Input/Output）是 Java 1.4 引入的 IO 框架，旨在解决传统 IO 模块性能不足的问题，特别是针对高并发和大数据量的场景。
NIO 的特点包括：
- 非阻塞模式：通过多路复用器（Selector），可以在单线程中管理多个通道（Channel）。
- 基于缓冲区（Buffer）：数据读写操作基于缓冲区，而非直接操作流。
- 内存映射文件（Memory-Mapped File）：高效地处理大文件。
二、NIO 的核心概念
NIO 的设计思想与传统 IO 有显著区别，主要围绕以下几个核心组件：
2.1 Channel（通道）
通道是 NIO 的核心接口，用于读写数据，类似于传统 IO 中的流。常见通道包括：
- FileChannel：用于文件数据的读写。
- SocketChannel：用于网络数据的读写。
- ServerSocketChannel：用于服务器端的网络数据处理。
特点：
- 双向性：同一个通道可以同时进行读和写。
- 非阻塞性：支持异步操作。
2.2 Buffer（缓冲区）
缓冲区是数据的容器，负责存储读写数据。所有的通道读写操作都要通过缓冲区完成。
常见缓冲区类型：
- ByteBuffer：存储字节数据。
- CharBuffer：存储字符数据。
- IntBuffer、FloatBuffer 等：存储特定类型的基本数据。
缓冲区的核心属性：
- capacity：缓冲区的总容量，不能改变。
- position：当前操作的位置指针。
- limit：当前可操作数据的上限。
- mark：一个临时记录的指针位置。
Buffer 的基本操作流程：
- 写入数据到缓冲区。
- 调用
flip()切换为读模式。 - 读取数据。
- 调用
clear()清空缓冲区 或compact()压缩缓冲区。
示例：
import java.nio.ByteBuffer;public class BufferExample {public static void main(String[] args) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 分配容量为 1024 的缓冲区// 写数据到缓冲区String data = "Hello, NIO!";buffer.put(data.getBytes());// 切换到读模式buffer.flip();// 读取缓冲区中的数据byte[] readData = new byte[buffer.remaining()];buffer.get(readData);System.out.println(new String(readData));// 清空缓冲区buffer.clear();}
}
2.3 Selector（选择器）
选择器是 NIO 实现多路复用的核心组件，可以同时监控多个通道的状态（如是否可读、可写、连接就绪等）。
Selector 的工作流程：
- 将通道注册到选择器，并指定关注的事件（如
OP_READ）。 - 调用选择器的
select()方法检测通道是否有事件发生。 - 获取就绪的通道并进行操作。
三、FileChannel 示例
FileChannel 是 NIO 中用于文件操作的核心类，可以进行文件的读写和复制。
文件读取示例：
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;public class FileChannelExample {public static void main(String[] args) {try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("example.txt", "r");FileChannel channel = file.getChannel()) {// 创建缓冲区ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 读取数据到缓冲区int bytesRead = channel.read(buffer);while (bytesRead != -1) {buffer.flip(); // 切换为读模式while (buffer.hasRemaining()) {System.out.print((char) buffer.get());}buffer.clear(); // 清空缓冲区bytesRead = channel.read(buffer);}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}
文件写入示例：
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;public class FileChannelExample {public static void main(String[] args) {try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("example.txt", "rw");FileChannel channel = file.getChannel()) {String data = "Hello, FileChannel!";ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);buffer.put(data.getBytes());buffer.flip(); // 切换为读模式，准备写入通道channel.write(buffer);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}
四、NIO 的非阻塞通信示例
NIO 的最大优势是支持非阻塞 IO，尤其在高并发的网络通信场景中具有明显优势。
服务器端示例
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;public class NIOServer {public static void main(String[] args) {try (ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open()) {serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));serverChannel.configureBlocking(false); // 非阻塞模式System.out.println("服务器启动，等待连接...");while (true) {SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();if (clientChannel != null) {System.out.println("客户端连接成功！");ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);buffer.put("Hello, Client!".getBytes());buffer.flip();clientChannel.write(buffer);clientChannel.close();}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}
客户端示例
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;public class NIOClient {public static void main(String[] args) {try (SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open()) {clientChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);clientChannel.read(buffer);buffer.flip();System.out.println("收到服务器消息：" + new String(buffer.array(), 0, buffer.limit()));} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}
五、NIO 与 IO 的对比
| 特性 | 传统 IO | NIO |
|---|---|---|
| 数据处理单位 | 流（Stream） | 缓冲区（Buffer） |
| 阻塞模式 | 阻塞 | 非阻塞 |
| 多路复用 | 不支持 | 支持（通过 Selector） |
| 性能 | 相对较低 | 更适合高并发场景 |
| 操作复杂性 | 简单 | 相对复杂 |
六、总结
java.nio 提供了更高效和灵活的 IO 操作方式，适用于需要高性能和高并发的场景。它通过非阻塞模型和缓冲区机制解决了传统 IO 的许多性能瓶颈。但对于简单的文件操作场景，传统 IO 更加直观和易用。
如果你对 java.nio 感兴趣，可以深入学习 Selector 的使用以及结合线程池的高效处理方案。希望这篇文章对你有所帮助，欢迎在评论区交流你的学习心得！
