一、NIO簡(jiǎn)介

Java NIO（New IO）是Java SE 1.4引入的一個(gè)新的IO API，它提供了比傳統(tǒng)IO更高效、更靈活的IO操作。與傳統(tǒng)IO相比，Java NIO的優(yōu)勢(shì)在于它支持非阻塞IO和選擇器（Selector）等特性，能夠更好地支持高并發(fā)、高吞吐量的應(yīng)用場(chǎng)景。

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上圖是官方對(duì)NIO的說(shuō)明，Java NIO 官方通常被稱(chēng)為 New I/O（新I/O），但它也因其核心功能非阻塞 I/O 特性而常常被稱(chēng)為 Non-blocking I/O（非阻塞 I/O）。這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)在討論 Java NIO 時(shí)都是正確的，它們描述了 Java 中用于處理非阻塞 I/O 操作的機(jī)制。

二、Java I/O發(fā)展史

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Java IO（Input/Output）是Java語(yǔ)言中用于讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的API，它提供了一系列類(lèi)和接口，用于讀取和寫(xiě)入各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)。下面是Java IO發(fā)展史的簡(jiǎn)要介紹：

• JDK 1.0（1996年） 最初的Java IO只支持字節(jié)流（InputStream、OutputStream）和字符流（Reader、Writer）兩種，基于阻塞式IO（BIO）模型。
• JDK 1.1（1997年） JDK 1.1引入了NIO（New IO）包，支持了緩存區(qū)（Buffer）、通道（Channel）等概念，提供了更高效的IO操作方式，可以實(shí)現(xiàn)非阻塞式IO（NIO）模式。
• JDK 1.4（2002年） JDK 1.4增加了NIO.2 API，也稱(chēng)為Java NIO with buffers，提供了更強(qiáng)大的文件處理功能和更高效的IO操作。
• JDK 7（2011年） JDK 7引入了NIO.2的改進(jìn)版——NIO.2 with Completion Ports，也稱(chēng)為AIO（Asynchronous IO），支持異步IO方式，在處理大量并發(fā)請(qǐng)求時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。

三、NIO 的原理

1、核心概念

NIO 的核心概念是通道 (Channel)、緩沖區(qū) (Buffer) 和選擇器 (Selector)。

• 通道（Channel）

通道是一個(gè)用于讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的對(duì)象，類(lèi)似于Java IO中的流（Stream）。與流不同的是，通道可以進(jìn)行非阻塞式的讀寫(xiě)操作，并且可以同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。通道分為兩種類(lèi)型：FileChannel和SocketChannel，分別用于文件和網(wǎng)絡(luò)通信。

• 緩沖區(qū)（Buffer）

在Java NIO中，所有數(shù)據(jù)都是通過(guò)緩沖區(qū)對(duì)象進(jìn)行傳輸?shù)?。緩沖區(qū)是一段連續(xù)的內(nèi)存塊，可以保存需要讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)對(duì)象包含了一些狀態(tài)變量，例如容量（capacity）、限制（limit）、位置（position）等，用于控制數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。

• 選擇器（Selector）

選擇器是Java NIO中的一個(gè)重要組件，它可以用于同時(shí)監(jiān)控多個(gè)通道的讀寫(xiě)事件，并在有事件發(fā)生時(shí)立即做出響應(yīng)。選擇器可以實(shí)現(xiàn)單線程監(jiān)聽(tīng)多個(gè)通道的效果，從而提高系統(tǒng)吞吐量和運(yùn)行效率。

2、原理分解

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p.s.通常我們看到的圖會(huì)有thread及client兩部分，不太好理解nio主要應(yīng)用到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信場(chǎng)景，所以把socketserver-->socketclient畫(huà)出來(lái)就更好理解了。

說(shuō)到Java NIO大家都會(huì)想到上面這張圖，NIO應(yīng)用程序的工作流程如下：

• 創(chuàng)建通道：打開(kāi)一個(gè)或多個(gè)通道，例如FileChannel、SocketChannel等。
• 創(chuàng)建緩沖區(qū)：為每個(gè)通道創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)緩沖區(qū)，用于讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。
• 注冊(cè)通道：將通道注冊(cè)到選擇器，以便選擇器可以監(jiān)控這些通道的狀態(tài)。
• 選擇就緒通道：選擇器等待通道就緒事件，一旦有通道準(zhǔn)備好進(jìn)行I/O操作，選擇器將通知應(yīng)用程序。
• 讀取/寫(xiě)入數(shù)據(jù)：應(yīng)用程序從通道讀取數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)入通道，使用緩沖區(qū)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

其中

• 通道和緩沖區(qū)是一對(duì)一的關(guān)系。每個(gè)通道都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
• 選擇器（Selector）可以同時(shí)監(jiān)視多個(gè)通道的狀態(tài)。一個(gè)選擇器可以綁定多個(gè)通道，以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。

3、代碼示例

在jdk的安裝包里，這個(gè)路徑JAVA_HOME/sample我們可以找到nio相應(yīng)的示例代碼。

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3.1、簡(jiǎn)單操作

對(duì)于簡(jiǎn)單的文件操作，通常不需要使用選擇器。傳統(tǒng)的文件I/O操作（如文件讀取和寫(xiě)入）可以通過(guò)FileChannel等通道進(jìn)行，但它們不涉及到多路復(fù)用，因?yàn)槲募x寫(xiě)通常是同步的，不需要監(jiān)視多個(gè)通道的狀態(tài)(如下面demo中的：inChannel.read(byteBuffer)本身還是一個(gè)阻塞的方法)。在這種情況下，選擇器并不提供額外的好處。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的Java NIO示例，演示如何從文件中讀取數(shù)據(jù)并打印到控制臺(tái)：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class NIOReadFileExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建通道，使用 try-with-resources 語(yǔ)句自動(dòng)關(guān)閉資源
        try (FileInputStream inputStream = new FileInputStream("source-file-path");
             FileChannel inChannel = inputStream.getChannel()) {
             // 創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            // 使用 while 循環(huán)讀取文件中的所有數(shù)據(jù)
            while (inChannel.read(byteBuffer) != -1) {
                // 切換到讀模式
                byteBuffer.flip();
                // 讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)
                byte[] bytes = new byte[byteBuffer.limit()];
                byteBuffer.get(bytes);
                System.out.println(new String(bytes));
                // 清空緩沖區(qū)
                byteBuffer.clear();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在這個(gè)示例中，我們首先打開(kāi)一個(gè)文件通道，然后創(chuàng)建一個(gè)ByteBuffer來(lái)讀取數(shù)據(jù)。我們使用read()方法從文件通道讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，然后使用flip()方法切換到讀模式，遍歷緩沖區(qū)并打印數(shù)據(jù)。最后，我們使用clear()方法清空緩沖區(qū)，切換到寫(xiě)模式，以便繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。最后，我們關(guān)閉通道以釋放資源。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，實(shí)際應(yīng)用中可能需要更多的錯(cuò)誤處理和完善。

Java NIO的使用流程通常包括以下步驟：

• 打開(kāi)通道（Channel）：首先，你需要打開(kāi)一個(gè)通道，可以是文件通道、套接字通道等。這通常通過(guò)FileChannel.open()或SocketChannel.open()等方法實(shí)現(xiàn)。
• 創(chuàng)建緩沖區(qū)（Buffer）：接下來(lái)，創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)緩沖區(qū)，用于在通道和應(yīng)用程序之間傳輸數(shù)據(jù)。常見(jiàn)的緩沖區(qū)包括ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer等。使用ByteBuffer.allocate()或ByteBuffer.allocateDirect()來(lái)創(chuàng)建緩沖區(qū)。
• 讀取/寫(xiě)入數(shù)據(jù)：使用通道的read()方法來(lái)從通道讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，或使用write()方法將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)寫(xiě)入通道。對(duì)于套接字通道，你可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。
• 緩沖區(qū)操作：對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行操作，例如讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。你可以使用get()方法來(lái)獲取數(shù)據(jù)，使用put()方法來(lái)寫(xiě)入數(shù)據(jù)。
• 切換緩沖區(qū)：在讀取數(shù)據(jù)后，通常需要切換緩沖區(qū)的讀模式（flip），然后開(kāi)始從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。同樣，在寫(xiě)入數(shù)據(jù)后，切換緩沖區(qū)的寫(xiě)模式（flip）。
• 關(guān)閉通道：當(dāng)操作完成后，關(guān)閉通道以釋放資源，使用通道的close()方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2、多個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信

對(duì)于簡(jiǎn)單的文件操作，通常不需要使用選擇器。傳統(tǒng)的文件I/O操作（如文件讀取和寫(xiě)入）可以通過(guò)FileChannel等通道進(jìn)行，但它們不涉及到多路復(fù)用，因?yàn)槲募x寫(xiě)通常是同步的，不需要監(jiān)視多個(gè)通道的狀態(tài)。在這種情況下，選擇器并不提供額外的好處。

在官方j(luò)dk中的exaples中我們可以看到Server有5個(gè)子類(lèi)

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• B1：阻塞式單線程服務(wù)器

Blocking/Single-threaded Server

B1一個(gè)阻塞式單線程服務(wù)器，在完全服務(wù)于一個(gè)連接之前不會(huì)移動(dòng)到下一個(gè)連接。一個(gè)線程來(lái)處理所有客戶(hù)端請(qǐng)求。當(dāng)?shù)却齺?lái)自客戶(hù)端的數(shù)據(jù)或向客戶(hù)端寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，服務(wù)器將阻塞。這意味著服務(wù)器一次只能處理一個(gè)客戶(hù)端請(qǐng)求。

這種類(lèi)型的服務(wù)器簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但可擴(kuò)展性差。這是因?yàn)榉?wù)器一次只能處理一個(gè)客戶(hù)端請(qǐng)求。如果有許多客戶(hù)端請(qǐng)求數(shù)據(jù)，服務(wù)器將無(wú)法快速響應(yīng)所有請(qǐng)求。

• BN：阻塞式多線程服務(wù)器

Blocking/Multi-threaded Server

一個(gè)阻塞式多線程服務(wù)器，為每個(gè)連接創(chuàng)建一個(gè)新線程。

服務(wù)器將創(chuàng)建多個(gè)線程來(lái)處理客戶(hù)端請(qǐng)求。當(dāng)一個(gè)客戶(hù)端連接到服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器使用一個(gè)線程來(lái)處理該客戶(hù)端的請(qǐng)求。

這種類(lèi)型的服務(wù)器比阻塞式單線程服務(wù)器具有更好的可擴(kuò)展性，但它仍然不是非常有效率，因?yàn)槊總€(gè)連接都需要一個(gè)單獨(dú)的線程。對(duì)于大量連接來(lái)說(shuō)，這會(huì)導(dǎo)致大量的線程開(kāi)銷(xiāo)。

• BP：阻塞式線程池服務(wù)器

Blocking/Pooled-thread Server一個(gè)多線程服務(wù)器，為服務(wù)器使用創(chuàng)建一個(gè)線程池。線程池決定如何調(diào)度這些線程。服務(wù)器將創(chuàng)建一個(gè)線程池來(lái)處理客戶(hù)端請(qǐng)求。當(dāng)一個(gè)客戶(hù)端連接到服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器將從線程池中獲取一個(gè)線程來(lái)處理該客戶(hù)端的請(qǐng)求。當(dāng)請(qǐng)求處理完畢后，該線程將關(guān)閉連接并返回到線程池。

• N1：非阻塞式單線程服務(wù)器

Nonblocking/Single-threaded Server

一個(gè)非阻塞式單線程服務(wù)器。所有 accept() 和 read()/write() 操作都由一個(gè)線程執(zhí)行，但僅在被 Selector 選中執(zhí)行這些操作后才執(zhí)行。服務(wù)器將使用 Selector 來(lái)監(jiān)控多個(gè)通道的就緒狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)通道就緒時(shí)，服務(wù)器將從該通道讀取數(shù)據(jù)或向該通道寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

• N2：非阻塞式雙線程服務(wù)器

Nonblocking/Dual-threaded Server

一個(gè)非阻塞式雙線程服務(wù)器，在一個(gè)線程中執(zhí)行 accept() 操作，在另一個(gè)線程中處理請(qǐng)求。這兩個(gè)線程都使用 select() 函數(shù)。

以下是SocketServer、SocketClient示例代碼

SocketServer

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;

/**
 * @Author: Hanko
 * @Date: 2023-10-12 17:42
 */
public class SelectorServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)器套接字通道
        ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();

        // 將服務(wù)器套接字通道綁定到指定端口
        socketChannel.bind(new InetSocketAddress(8888));

        // 將服務(wù)器套接字通道設(shè)置為非阻塞模式
        socketChannel.configureBlocking(false);

        // 創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        // 創(chuàng)建一個(gè)選擇器
        Selector selector = Selector.open();

        // 將服務(wù)器套接字通道注冊(cè)到選擇器上，監(jiān)聽(tīng)連接事件
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        // 循環(huán)判斷通道已準(zhǔn)備好進(jìn)行I/O操作
        while (selector.select() > 0) {
            // 獲取所有發(fā)生的SelectionKey
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

            // 遍歷所有SelectionKey
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                // 獲取當(dāng)前SelectionKey
                SelectionKey key = iterator.next();

                // 判斷當(dāng)前鍵的通道是否準(zhǔn)備好接收socket連接
                if (key.isAcceptable()) {
                    // 接受客戶(hù)端連接
                    SocketChannel sc = socketChannel.accept();

                    // 將客戶(hù)端連接通道設(shè)置為非阻塞模式
                    sc.configureBlocking(false);

                    // 將客戶(hù)端連接通道注冊(cè)到選擇器上，監(jiān)聽(tīng)讀事件
                    sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    // 判斷當(dāng)前key的通道是否準(zhǔn)備好讀取操作
                } else if (key.isReadable()) {
                    // 獲取當(dāng)前key的通道
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

                    // 從通道中讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)
                    int len = 0;
                    while ((len = channel.read(buffer)) > 0) {
                        // 將緩沖區(qū)切換為讀模式
                        buffer.flip();

                        // 打印緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)
                        System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));

                        // 將緩沖區(qū)重置為寫(xiě)模式
                        buffer.clear();
                    }
                }

                // 移除當(dāng)前事件
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

SocketClient

public static void main(String[] args) throws IOException {

    // 獲取通道、綁定主機(jī)和端口
    SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 8888));

    // 切換到非阻塞模式
    socketChannel.configureBlocking(false);

    // 創(chuàng)建Buffer寫(xiě)入數(shù)據(jù)
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    // 將當(dāng)前時(shí)間寫(xiě)入緩沖區(qū)
    buffer.put(new Date().toString().getBytes());

    // 將緩沖區(qū)切換為寫(xiě)模式
    buffer.flip();

    // 將數(shù)據(jù)寫(xiě)入通道
    socketChannel.write(buffer);

    // 關(guān)閉通道
    socketChannel.close();
}

四、NIO 的應(yīng)用場(chǎng)景

NIO 適用于以下場(chǎng)景：

• 網(wǎng)絡(luò)通信：NIO 可以用于開(kāi)發(fā)高并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，例如 Web 服務(wù)器、游戲服務(wù)器等。
• 文件操作：NIO 可以用于開(kāi)發(fā)高性能的文件操作應(yīng)用，例如文件傳輸、文件壓縮等。
• 進(jìn)程間通信：NIO 可以用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信，例如共享內(nèi)存、管道等。
• 數(shù)據(jù)庫(kù)操作：NIO 可以用于提高數(shù)據(jù)庫(kù)操作的性能，例如批量插入、批量查詢(xún)等。

1、在業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

• 聊天服務(wù)器：使用 NIO 來(lái)建立和維護(hù)多個(gè)客戶(hù)端連接，并高效地處理客戶(hù)端請(qǐng)求。
• 文件傳輸：使用 NIO 來(lái)高效地傳輸大文件。
• 數(shù)據(jù)庫(kù)操作：使用 NIO 來(lái)批量插入或查詢(xún)數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)庫(kù)操作的性能。

2、在框架中的應(yīng)用

• Netty

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這是一個(gè)基于java nio實(shí)現(xiàn)的高性能、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)框架，它提供了一系列的組件和工具，用于構(gòu)建異步、事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。Netty被廣泛應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、游戲、通信等領(lǐng)域，一些著名的開(kāi)源項(xiàng)目如Dubbo、Zookeeper、RocketMQ、Elasticsearch等都基于Netty構(gòu)建 。

• Mina

這是一個(gè)基于java nio實(shí)現(xiàn)的輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)框架，它支持TCP、UDP、SSL等協(xié)議，以及多種編解碼器和過(guò)濾器。Mina可以用于開(kāi)發(fā)高性能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和客戶(hù)端，一些開(kāi)源項(xiàng)目如Apache Directory Server、Apache James等都使用了Mina 。

• Jetty

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這是一個(gè)基于java nio實(shí)現(xiàn)的Web服務(wù)器和Servlet容器，它支持HTTP/2、WebSocket等協(xié)議，以及反應(yīng)式編程模型。Jetty可以嵌入到其他應(yīng)用中，提供Web服務(wù)和Web界面，一些開(kāi)源項(xiàng)目如Eclipse、Hadoop等都使用了Jetty 。

五、優(yōu)缺點(diǎn)

1.NIO 的優(yōu)勢(shì)

NIO 相對(duì)于傳統(tǒng) IO 具有以下優(yōu)勢(shì)：

• 提高并發(fā)性：NIO 可以使用多路復(fù)用器來(lái)監(jiān)聽(tīng)多個(gè)通道的事件，提高并發(fā)性。
• 提高性能：NIO 支持非阻塞 IO，可以提高性能。
• 簡(jiǎn)化編程：NIO 的 API 更加簡(jiǎn)潔，易于理解和使用。

2.NIO 的缺點(diǎn)

NIO 相對(duì)于傳統(tǒng) IO 具有以下缺點(diǎn)：

• 學(xué)習(xí)成本較高：NIO 的概念和 API 與傳統(tǒng) IO 不同，學(xué)習(xí)成本較高。
• 不兼容性：NIO 與傳統(tǒng) IO 存在不兼容性，需要注意兼容性問(wèn)題。

為什么NIO沒(méi)有廣泛的被推廣起來(lái)呢？

• 復(fù)雜性：相對(duì)于傳統(tǒng)的阻塞式I/O，Java NIO 的編程模型更加復(fù)雜。它需要開(kāi)發(fā)人員處理事件、緩沖區(qū)管理、選擇器等概念，這可能會(huì)增加學(xué)習(xí)曲線，尤其是對(duì)于新手來(lái)說(shuō)。
• 性能優(yōu)勢(shì)局限：Java NIO 在高并發(fā)和高吞吐量的場(chǎng)景下可以提供性能優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于許多常規(guī)應(yīng)用程序而言，傳統(tǒng)的阻塞式I/O 已經(jīng)足夠了。只有需要處理大量并發(fā)連接或需要高度定制化的網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，Java NIO 才會(huì)顯得更有價(jià)值。
• 第三方庫(kù)的競(jìng)爭(zhēng)：有一些第三方庫(kù)和框架，如Netty和Apache MINA，構(gòu)建在Java NIO 之上，提供了更易于使用的高性能網(wǎng)絡(luò)通信解決方案。這些庫(kù)可能更容易推廣，而不是直接使用Java NIO。
• 歷史原因：許多早期的Java應(yīng)用程序是基于傳統(tǒng)的阻塞式I/O構(gòu)建的，而且遷移到Java NIO 可能需要重寫(xiě)或修改現(xiàn)有的代碼。這使得許多遺留應(yīng)用程序不愿意切換到新的I/O模型。