Java学习----NIO模型

        在 Java 的 I/O 模型中，NIO（Non - Blocking I/O，非阻塞 I/O）是对 BIO 的重要改进。它为高并发场景提供了更高效的处理方式，在众多 Java 应用中发挥着关键作用。

        NIO模型的核心在于非阻塞和多路复用，其采用 “一个线程处理多个连接” 的模式，主要依靠通道（Channel）、缓冲区（Buffer）和选择器（Selector）这三个核心组件协同工作，每个核心组件的功能原理和功能如下：

（1）通道：通道是数据传输的通道，类似于 BIO 中的流，但它是双向的，既可以从通道读取数据，也可以向通道写入数据。常见的通道有ServerSocketChannel（用于服务器端监听连接）、SocketChannel（用于客户端与服务器端的通信）等。​

（2）缓冲区：缓冲区是存储数据的容器，所有数据的读写都必须通过缓冲区进行。它本质上是一个数组，提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置等信息。在 NIO 中，数据从通道读取到缓冲区，或从缓冲区写入到通道。​

（3）选择器：选择器是 NIO 实现多路复用的关键。它可以同时监控多个通道的事件（如连接请求、数据可读、数据可写等）。一个线程通过选择器注册多个通道，然后阻塞在选择器上，等待通道事件的发生。当有事件发生时，线程会处理这些事件，从而实现一个线程高效处理多个连接。​

        其工作流程大致为：服务器端通过ServerSocketChannel监听端口，将其注册到选择器上，并设置关注的事件（如接受连接事件）。客户端通过SocketChannel发起连接。选择器不断轮询注册的通道，当某个通道有事件发生时，就会被选中。线程从选择器中获取这些就绪的通道，进行相应的处理，如接受连接、读取数据、写入数据等，且这些操作大多是非阻塞的。​

        作为BIO的改进型，NIO也是有着许多优点，例如:​

（1）高并发处理能力强：借助多路复用机制，一个线程可以处理多个连接，大大减少了线程的创建和销毁带来的开销，以及线程上下文切换的成本，能在高并发场景下保持较好的性能。​

（2）非阻塞提升效率：在数据读写过程中，线程不会一直阻塞等待，当没有数据可读或可写时，线程可以去处理其他通道的事件，提高了线程的利用率。​

（3）双向传输更灵活：通道是双向的，相比 BIO 中流的单向传输，在一些需要双向数据交互的场景中，使用更方便灵活。​

        但是同样的，其缺点也不少，如：​

（1）编程复杂度高：NIO 的编程模型相对 BIO 更为复杂，需要理解通道、缓冲区、选择器等多个组件的协同工作机制，对开发者的技术要求较高。​

（2）学习门槛较高：其涉及的多路复用、非阻塞等概念较难理解，新手需要花费更多的时间和精力去掌握。​

（3）在低并发场景下优势不明显：在并发量较小的情况下，NIO 的优势难以体现，其复杂的机制可能还会带来一些额外的开销。​

        下面通过一个简单的客户端 - 服务器通信示例来展示 Java NIO 的使用。​

服务器端代码​

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;public class NioServer {public static void main(String[] args) throws IOException {// 创建ServerSocketChannel并绑定端口ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));// 设置为非阻塞模式serverSocketChannel.configureBlocking(false);// 创建选择器Selector selector = Selector.open();// 将ServerSocketChannel注册到选择器，关注接受连接事件serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);System.out.println("服务器启动，监听端口8888...");while (true) {// 阻塞等待通道事件，返回就绪的通道数量int readyChannels = selector.select();if (readyChannels == 0) {continue;}// 获取就绪的事件Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();// 移除处理过的事件，避免重复处理iterator.remove();if (key.isAcceptable()) {// 处理接受连接事件ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel socketChannel = serverChannel.accept();socketChannel.configureBlocking(false);// 将客户端通道注册到选择器，关注数据可读事件socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);System.out.println("收到新的客户端连接：" + socketChannel.getRemoteAddress());} else if (key.isReadable()) {// 处理数据可读事件SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);int bytesRead = socketChannel.read(buffer);if (bytesRead > 0) {buffer.flip();byte[] data = new byte[buffer.remaining()];buffer.get(data);String message = new String(data);System.out.println("收到客户端消息：" + message);// 向客户端发送响应buffer.clear();String response = "服务器已收到消息：" + message;buffer.put(response.getBytes());buffer.flip();socketChannel.write(buffer);} else if (bytesRead == -1) {// 客户端关闭连接socketChannel.close();System.out.println("客户端连接关闭");}}}}}
}
/*
创建ServerSocketChannel并绑定端口，设置为非阻塞模式，然后注册到选择器上并关注接受连接事件。进入循环后，线程阻塞在选择器的select()方法上，等待通道事件。当有接受连接事件时，接受客户端连接，将客户端的SocketChannel注册到选择器并关注数据可读事件。当有数据可读事件时，从通道中读取数据，处理后向客户端发送响应。
*/

客户端代码​

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Scanner;public class NioClient {public static void main(String[] args) throws IOException {// 打开SocketChannel并连接服务器SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 8888));// 设置为非阻塞模式socketChannel.configureBlocking(false);System.out.println("已连接到服务器");// 向服务器发送数据Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入要发送的消息：");String message = scanner.nextLine();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);buffer.put(message.getBytes());buffer.flip();socketChannel.write(buffer);// 读取服务器的响应buffer.clear();int bytesRead = socketChannel.read(buffer);if (bytesRead > 0) {buffer.flip();byte[] data = new byte[buffer.remaining()];buffer.get(data);String response = new String(data);System.out.println("收到服务器响应：" + response);}scanner.close();socketChannel.close();System.out.println("客户端连接关闭");}
}
/*
创建SocketChannel连接服务器，设置为非阻塞模式，向服务器发送数据，然后读取服务器的响应，最后关闭连接。
*/

        从代码中能清楚看到 NIO 的非阻塞和多路复用特性，一个线程通过选择器处理多个通道的事件，极大地提高了并发处理能力。​