好的，各位观众老爷们，欢迎来到今天的“Java NIO大冒险”节目！我是你们的老朋友，人称“代码诗人”的程序猿小P。今天，我们要一起深入神秘的Java NIO世界，探索那些让服务器“身轻如燕”的秘密武器。准备好了吗？让我们开始这场激动人心的技术之旅吧！🚀
第一幕：IO的“旧爱”与NIO的“新欢”
话说，在Java的世界里，IO就像一位老朋友，陪伴了我们很久很久。但随着时代的发展，这位老朋友渐渐显得有些力不从心了。为什么呢？
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阻塞的烦恼： 传统的IO模型，就像一位“死心眼”的等待者。当一个线程发起IO操作时，它必须傻傻地等待数据准备好，才能继续执行其他任务。这就好比你去餐厅吃饭，点了菜后，就只能眼巴巴地坐在那里，盯着厨房，直到菜做好才能动筷子。这效率，简直让人抓狂！😠
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线程的压力： 为了应对大量的并发请求，传统的IO模型通常需要创建大量的线程。每个线程负责处理一个连接。想象一下，如果你的餐厅同时来了100位客人，你就要雇佣100位服务员！这成本，简直让人破产！💸
这时候，我们的英雄——Java NIO（New IO），闪亮登场了！NIO就像一位“八面玲珑”的交际花，它采用了非阻塞的IO模型，让服务器可以同时处理大量的连接，而无需创建大量的线程。
什么是NIO呢？
NIO，全称Non-Blocking IO，或者说New IO，它提供了一种与传统IO不同的方式来处理输入输出。它主要解决了传统IO的两个痛点：
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非阻塞： NIO的通道（Channels）可以在非阻塞模式下工作。这意味着当一个线程发起IO操作时，如果数据没有准备好，它不会傻傻地等待，而是会立即返回，去做其他的事情。这就好比你去餐厅吃饭，点了菜后，你可以先去逛逛街，等菜做好了，服务员会通知你回来。
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单线程多路复用： NIO通过Selector（选择器）来实现单线程多路复用。一个Selector可以监听多个通道的IO事件。当某个通道有数据准备好时，Selector会通知线程去处理。这就好比餐厅的服务员，她可以同时观察多张餐桌，当有客人需要服务时，她才会过去。
用表格对比一下IO和NIO的差异：
| 特性 | 传统IO (Blocking IO) | NIO (Non-Blocking IO) |
|---|---|---|
| 阻塞模式 | 阻塞 | 非阻塞 |
| 线程模型 | 多线程 | 单线程/多线程+Selector |
| 数据传输 | 基于流 (Stream) | 基于缓冲区 (Buffer) |
| 选择器 | 无 | 有 (Selector) |
| 适用场景 | 连接数较少，并发低 | 连接数较多，并发高 |
| 效率 | 较低 | 较高 |
第二幕：NIO的核心组件——通道、缓冲区和选择器
NIO之所以能够实现非阻塞IO，离不开它的三个核心组件：通道（Channels）、缓冲区（Buffers）和选择器（Selectors）。它们就像NIO的“三剑客”，各司其职，协同作战。
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通道（Channels）： 通道是NIO中进行IO操作的“高速公路”。它可以从缓冲区读取数据，也可以将数据写入缓冲区。通道类似于传统的IO流，但它更加灵活，支持双向数据传输。常见的通道有：
FileChannel：用于文件IO。SocketChannel：用于TCP网络IO。ServerSocketChannel：用于监听TCP连接。DatagramChannel：用于UDP网络IO。
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缓冲区（Buffers）： 缓冲区是NIO中用于存储数据的“仓库”。它本质上是一个内存块，可以从中读取数据，也可以向其中写入数据。缓冲区解决了IO只能一个个字节操作的低效问题，可以批量操作。常见的缓冲区有：
ByteBuffer：用于存储字节数据。CharBuffer：用于存储字符数据。IntBuffer：用于存储整数数据。FloatBuffer：用于存储浮点数数据。
缓冲区有四个重要的属性：
capacity：缓冲区的容量，即最多可以存储多少数据。position：缓冲区的当前位置，即下一个要读取或写入的数据的位置。limit：缓冲区的限制，即可以读取或写入的数据的上限。mark：缓冲区的标记，可以用于记住当前位置，以便稍后返回。
缓冲区的常用操作：
put()：向缓冲区写入数据。get()：从缓冲区读取数据。flip()：将缓冲区从写入模式切换到读取模式。clear()：清空缓冲区，准备写入新的数据。rewind()：将position重置为0，可以重新读取缓冲区的数据。mark()：标记当前position。reset()：将position重置为mark的位置。
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选择器（Selectors）： 选择器是NIO中实现单线程多路复用的“指挥官”。它可以监听多个通道的IO事件，当某个通道有数据准备好时，选择器会通知线程去处理。选择器就像一位经验丰富的调度员，它可以高效地管理大量的连接，而无需创建大量的线程。选择器可以监听的IO事件有：
OP_ACCEPT：接受连接事件，用于ServerSocketChannel。OP_CONNECT：连接事件，用于SocketChannel。OP_READ：读取事件，用于SocketChannel和DatagramChannel。OP_WRITE：写入事件，用于SocketChannel和DatagramChannel。
第三幕：NIO的实战演练——构建一个简单的Echo服务器
光说不练假把式，现在让我们用NIO来构建一个简单的Echo服务器。这个服务器可以接收客户端发送的数据，并将数据原封不动地返回给客户端。
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 NIOServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 1. 创建ServerSocketChannel，监听指定端口
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
// 设置为非阻塞模式
serverChannel.configureBlocking(false);
// 2. 创建Selector
Selector selector = Selector.open();
// 3. 将ServerSocketChannel注册到Selector，监听ACCEPT事件
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("服务器启动成功，监听端口：8080");
// 4. 循环监听Selector
while (true) {
// 阻塞等待事件发生，直到至少有一个事件发生
selector.select();
// 获取所有发生的事件
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
// 遍历所有发生的事件
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
// 移除当前事件，防止重复处理
keyIterator.remove();
// 处理ACCEPT事件
if (key.isAcceptable()) {
// 获取ServerSocketChannel
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
// 接受客户端连接
SocketChannel clientChannel = server.accept();
// 设置为非阻塞模式
clientChannel.configureBlocking(false);
// 将客户端通道注册到Selector，监听READ事件
clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println("客户端连接成功：" + clientChannel.getRemoteAddress());
}
// 处理READ事件
if (key.isReadable()) {
// 获取SocketChannel
SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
// 创建缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
try {
// 从通道读取数据到缓冲区
int bytesRead = clientChannel.read(buffer);
if (bytesRead > 0) {
// 将缓冲区从写入模式切换到读取模式
buffer.flip();
// 将缓冲区的数据写入通道
clientChannel.write(buffer);
System.out.println("收到客户端消息：" + new String(buffer.array(), 0, bytesRead));
} else if (bytesRead == -1) {
// 客户端关闭连接
System.out.println("客户端断开连接：" + clientChannel.getRemoteAddress());
clientChannel.close();
key.cancel(); // 从Selector中取消注册
}
} catch (IOException e) {
System.err.println("处理客户端连接异常：" + e.getMessage());
try {
clientChannel.close();
} catch (IOException ex) {
// ignore
}
key.cancel(); // 从Selector中取消注册
}
}
}
}
}
}这个Echo服务器的代码虽然简单，但它包含了NIO的核心要素：
- ServerSocketChannel： 用于监听客户端的连接请求。
- Selector： 用于监听ServerSocketChannel的ACCEPT事件和SocketChannel的READ事件。
- SocketChannel： 用于与客户端进行数据交互。
- ByteBuffer： 用于存储客户端发送的数据。
运行这个Echo服务器，你可以用telnet或者其他网络工具连接到服务器的8080端口，然后发送一些数据，看看服务器是否会将数据原封不动地返回给你。
第四幕：NIO.2——更上一层楼
NIO已经很强大了，但Java并没有止步于此。在Java 7中，又引入了NIO.2（Asynchronous I/O），它进一步提升了IO的性能和灵活性。
NIO.2的主要特点是：
- 异步IO： NIO.2采用了异步IO模型，这意味着线程发起IO操作后，不需要等待IO操作完成，而是可以立即返回，去做其他的事情。当IO操作完成后，系统会通过回调函数或者Future对象通知线程。
- Path接口： NIO.2引入了Path接口，用于表示文件和目录的路径。Path接口比File类更加灵活，支持更多的操作。
- AsynchronousFileChannel： NIO.2提供了AsynchronousFileChannel，用于进行异步文件IO。
- AsynchronousSocketChannel和AsynchronousServerSocketChannel： NIO.2提供了AsynchronousSocketChannel和AsynchronousServerSocketChannel，用于进行异步网络IO。
NIO.2的异步IO模型，就像一位“高效”的快递员。你只需要将包裹交给快递员，然后就可以去做其他的事情。当包裹送到时，快递员会打电话通知你。
NIO.2的实战演练——异步文件读取
让我们用NIO.2来实现一个简单的异步文件读取的例子。
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousFileChannel;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardOpenOption;
import java.util.concurrent.Future;
public class AsyncFileRead {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Path file = Paths.get("test.txt"); // 替换为你的文件路径
// 创建AsynchronousFileChannel
AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(file, StandardOpenOption.READ);
// 创建ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 异步读取文件
Future<Integer> result = channel.read(buffer, 0);
try {
// 等待读取完成
Integer bytesRead = result.get(); // This blocks until the read is complete
if (bytesRead > 0) {
// 将缓冲区从写入模式切换到读取模式
buffer.flip();
byte[] data = new byte[bytesRead];
buffer.get(data);
System.out.println("读取到的数据：" + new String(data));
} else {
System.out.println("文件读取完成或为空");
}
} catch (Exception e) {
System.err.println("读取文件失败：" + e.getMessage());
} finally {
// 关闭通道
channel.close();
}
}
}在这个例子中，我们使用了AsynchronousFileChannel来异步读取文件。我们通过Future对象来获取读取的结果。
第五幕：NIO的应用场景与最佳实践
NIO和NIO.2在现代Java应用中扮演着重要的角色。它们特别适合以下场景：
- 高并发网络应用： 例如，聊天服务器、游戏服务器、实时数据流处理等。
- 大规模数据处理： 例如，日志分析、数据挖掘、搜索引擎等。
- 需要高性能IO的场景： 例如，数据库、缓存系统、消息队列等。
在使用NIO和NIO.2时，有一些最佳实践可以帮助你更好地利用它们的优势：
- 合理选择缓冲区的大小： 缓冲区的大小会影响IO的性能。一般来说，较大的缓冲区可以减少IO操作的次数，但会占用更多的内存。你需要根据实际情况选择合适的缓冲区大小。
- 避免频繁的缓冲区分配和释放： 频繁的缓冲区分配和释放会导致内存碎片，影响性能。你可以使用Buffer Pool来重用缓冲区。
- 注意线程安全： 在多线程环境下使用NIO和NIO.2时，需要注意线程安全问题。例如，多个线程不应该同时访问同一个缓冲区。
- 合理使用Selector： Selector是NIO的核心组件，但过度使用Selector也会导致性能问题。你需要根据实际情况合理使用Selector。
总结：
NIO和NIO.2是Java IO的重要组成部分。它们提供了非阻塞和异步的IO模型，可以显著提高IO的性能和灵活性。掌握NIO和NIO.2，可以让你构建更加高效、可扩展的Java应用。
好了，今天的“Java NIO大冒险”节目就到这里了。希望大家通过今天的学习，能够对Java NIO有一个更深入的了解。记住，技术就像探险，只有不断探索，才能发现更多的乐趣！我们下期再见！ 👋