Java NIO原理图文分析及代码实现

简介

Java NIO(Non-blocking I/O)是一种可替代Java标准I/O的I/O API。相比传统的I/O，Java NIO提供的I/O操作更快速、更灵活，并且支持更多的操作（如块传输和多路复用）。

基本组成部分

Java NIO的核心组件主要包含以下几个部分：

• Channel（通道）：基本的I/O操作（如写入和读取）在通道中完成。
• Buffer（缓冲区）：通道读写数据的存储区域，读取数据时首先将数据读入缓冲区，写入数据时首先将数据写入缓冲区。
• Selector（选择器）：用于多路复用I/O操作，同时能够检测某个通道上是否有事件发生。

Channel

Java NIO中的通道（Channel）类似于流（Stream）的概念，用于进行数据的读取和写入。不过，与流不同的是：

• 通道是双向的，可以在一个通道上进行读取和写入操作。
• 通道可以通过多个线程进行操作（前提是线程安全）。

Java NIO中的通道主要分为以下几类：

• FileChannel：用于读取、写入和映射文件的通道。
• DatagramChannel：通过UDP协议读取或写入网络数据。
• SocketChannel：通过TCP协议进行网络连接的通道。
• ServerSocketChannel：可以监听新进来的TCP连接，并且为每个新连接创建一个通道。

Buffer

缓冲区（Buffer）实际上就是一个内存块，通道读取或写入时通过缓冲区读写数据。在Java NIO中，缓冲区主要分为以下几种类型：

• ByteBuffer
• CharBuffer
• ShortBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer

这些缓冲区类型的创建方法基本相同，可以通过以下方法进行创建：

Buffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

缓冲区从内部来说，实际上就是一个数组。除了存储数据之外，缓冲区还提供了三个核心操作：

• 写入数据到缓冲区：put()
• 从缓冲区读取数据：get()
• 读写模式切换：flip()

其中，读写模式切换是这样用的：

// 读模式
buffer.flip();

// 写模式
buffer.clear();

Selector

多路复用器（Selector）是一种可以同时处理多个通道的Java NIO组件。多路复用器基于底层操作系统提供的select()方法（或者epoll、KQueue等方法），可以检测某些事件是否发生。

多路复用器的运行主要流程如下：

1. 创建多路复用器（Selector）。
2. 将各个通道注册到多路复用器上（SocketChannel.register()）。
3. 轮询多路复用器中发生事件的通道（Selector.select()）。
4. 处理具体的事件（如连接、读取、写入等）。

示例说明

示例1：使用FileChannel读取文件

public static void readFile(String filePath) throws IOException {
    // 获取文件的FileChannel
    File file = new File(filePath);
    RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(file, "rw");
    FileChannel fileChannel = randomAccessFile.getChannel();

    // 创建buffer
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    while (fileChannel.read(buffer) != -1) {
        // 切换到读模式
        buffer.flip();

        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get());
        }

        // 切换到写模式
        buffer.clear();
    }

    // 关闭FileChannel
    fileChannel.close();
}

以上代码中，我们首先通过RandomAccessFile获取到需要读取的文件，然后通过getChannel()方法获取到文件的FileChannel。接下来，我们创建一个ByteBuffer缓冲区，通过FileChannel的read()方法从文件通道读取数据，并通过ByteBuffer的flip()方法将缓冲区切换到读模式。最后，我们通过ByteBuffer的get()方法从缓冲区读取数据，并在控制台上输出。当ByteBuffer中没有数据时，我们将缓冲区切换到写模式，并继续执行下一轮读操作，直到文件读取完毕。

示例2：使用ServerSocketChannel监听并处理连接

public static void startServer(int port) throws IOException {
    // 创建ServerSocketChannel
    ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

    // 绑定端口
    serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));

    // 设置为非阻塞模式
    serverSocketChannel.configureBlocking(false);

    // 创建Selector
    Selector selector = Selector.open();

    // 将ServerSocketChannel注册到Selector上，并监听连接事件
    serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

    while (true) {
        // 阻塞等待事件
        selector.select();

        // 获取事件和事件通道
        Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
        Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();

        // 处理事件
        while (it.hasNext()) {
            SelectionKey selectionKey = it.next();
            it.remove();

            if (selectionKey.isAcceptable()) {
                // 处理连接事件
                SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                socketChannel.configureBlocking(false);
                socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            } else if (selectionKey.isReadable()) {
                // 处理读取事件
                SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                socketChannel.read(buffer);
                buffer.flip();
                String message = Charset.forName("UTF-8").newDecoder().decode(buffer).toString();
                System.out.println("读取信息：" + message);
                socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(("收到信息：" + message).getBytes()));
                socketChannel.close();
            }
        }
    }
}

以上代码中，我们首先创建一个ServerSocketChannel，并将它的端口绑定到我们要监听的端口上。然后，我们将ServerSocketChannel注册到Selector中并监听连接事件(SelectionKey.OP_ACCEPT)。接下来，我们进入一个无限循环，调用Selector的select()方法模拟轮询事件。当select()返回时，我们调用Selector的selectedKeys()方法获取到所有发生的事件。然后，我们遍历选择键(Selection Key)集合，并处理每一个事件。当我们监听到一个连接事件时，我们通过ServerSocketChannel的accept()方法接受连接，并将其注册到Selector中监听读事件。当我们监听到读事件时，我们可以通过SocketChannel的read()方法读取客户端发送的数据，并在控制台上输出。最后，我们通过SocketChannel的write()方法向客户端发送数据，然后关闭连接。

总结

Java NIO提供了一种新的I/O操作方式，相较于传统I/O具有更高的处理效率和更灵活的使用方式，这在某些高并发场景下会提供很大的帮助作用。具体的操作与实现方式还需要在实践中去逐步掌握。