一、基本概念
Java NIO 是 Java 1.4 引入的，用于处理高速、高并发的 I/O 操作。与传统的阻塞 I/O 不同，NIO 支持非阻塞 I/O 和选择器，可以更高效地管理多个通道。
二、核心组件
- 通道（Channel）
Channel是 NIO 中用于读取和写入数据的主要接口，提供双向数据传输的能力。- 常见的通道实现：
FileChannel：用于文件的读写操作。SocketChannel：用于 TCP 网络通信。ServerSocketChannel：用于监听 TCP 连接的服务器端通道。DatagramChannel：用于 UDP 网络通信。
- 缓冲区（Buffer）
Buffer是 NIO 中用于存储数据的容器。与传统的流不同，NIO 通过缓冲区进行数据的读写。- 常见的缓冲区类型：
ByteBuffer：处理字节数据。CharBuffer：处理字符数据。IntBuffer、LongBuffer等：处理整型和长整型数据。
- 缓冲区有三个重要的属性：
position：当前缓冲区的读写位置。limit：可以读取或写入的最大数据量。capacity：缓冲区的总容量。
- 选择器（Selector）
Selector是 NIO 的核心组件之一，允许单个线程监控多个通道的事件。- 通过选择器，可以处理多个连接而不需要为每个连接都创建一个线程。
- Selector 的工作流程：
- 注册通道（Channel）到选择器。
- 选择感兴趣的通道（如可读、可写、连接等）。
- 处理就绪的通道。
三、底层实现
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文件描述符
NIO 底层仍然依赖操作系统的文件描述符。每个通道对应一个文件描述符，用于直接与操作系统进行交互。
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事件驱动
NIO 使用事件驱动的机制。选择器会调用操作系统的底层 API（如 epoll、kqueue）来获取就绪事件。这种机制允许线程在等待事件时处于睡眠状态，从而减少 CPU 资源的消耗。
四、设计原理
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非阻塞 IO
NIO 允许通道在没有可用数据时不阻塞线程。线程可以继续执行其他操作，适合处理高并发请求。
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选择性处理
使用选择器，可以选择性地处理就绪通道，避免了为每个连接创建一个线程的开销。
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适应性强
NIO 的设计使得它可以处理各种数据源（如文件、网络等），提高了灵活性。
五、底层原理
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内存管理
NIO 的缓冲区（Buffer）底层使用
java.nio.HeapByteBuffer和java.nio.DirectByteBuffer，后者直接在 JVM 之外分配内存，减少了与 JVM 堆内存的交互开销，提升了 I/O 性能，特别是在大数据量传输时。 -
内存映射文件（Memory-Mapped File）
NIO 的
FileChannel支持内存映射文件，允许将文件映射到内存。这种方式使得文件内容可以像数组一样直接操作，大幅提升了文件读取和写入的速度，特别适用于大文件处理和高性能数据库实现。 -
选择器的实现
选择器的实现通常基于操作系统提供的高效 I/O 多路复用机制，如 Linux 的
epoll或 Windows 的IOCP。这些机制使得 NIO 能够在处理大量并发连接时表现优异。了解这些底层实现的机制，能够帮助开发者在不同操作系统上优化性能。
六、使用场景
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高性能 Web 服务器
NIO 适合构建高性能的 Web 服务器，如 Netty 框架，利用其事件驱动和异步非阻塞的特性，可以处理数万并发连接，而不需要为每个连接创建一个线程。
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实时数据处理
在需要实时处理大量数据的应用（如金融交易系统、在线游戏等），NIO 提供的低延迟和高吞吐量使其成为理想选择。
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跨平台的网络通信
NIO 的通道和选择器机制提供了跨平台的网络通信能力，开发者可以轻松构建支持多种操作系统的网络应用。
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高并发网络应用
NIO 适用于需要处理大量并发连接的应用，例如聊天服务器、HTTP 服务器和在线游戏等。
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异步文件处理
使用
AsynchronousFileChannel进行异步文件读写操作，适合需要高性能的文件处理场景。
七、性能特点
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降低上下文切换
NIO 的非阻塞特性降低了线程切换的开销，特别是在高并发情况下，提高了应用的吞吐量。
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内存映射文件
NIO 支持内存映射文件，可以将文件直接映射到内存，这种方式可以提高对大文件的访问速度。
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减少资源占用
由于使用选择器管理多个通道，NIO 可以减少对系统资源（如线程和内存）的占用，提高整体性能。
八、示例代码
以下是一个简单的 NIO 服务器示例，使用选择器处理客户端连接：
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.channels.SelectionKey;
public class NioServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
selector.select(); // 阻塞，直到有事件发生
for (SelectionKey key : selector.selectedKeys()) {
if (key.isAcceptable()) {
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(256);
int bytesRead = socketChannel.read(buffer);
if (bytesRead == -1) {
socketChannel.close();
} else {
buffer.flip();
// 处理数据...
socketChannel.write(buffer);
}
}
}
selector.selectedKeys().clear(); // 清除已处理的事件
}
}
}