什么是NIO？你知道嗎？

作者：Reathin 2023-12-20 08:23:53

NIO的核心組件包括通道（Channel）、緩沖區(qū)（Buffer）、選擇器（Selector）和非阻塞I/O。通過通道和緩沖區(qū)的配合，可以實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)讀寫操作；選擇器則可以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，監(jiān)控多個(gè)通道的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)非阻塞I/O。

IO介紹

IO是Input/Output的縮寫，表示輸入和輸出。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，IO通常指代數(shù)據(jù)的輸入和輸出操作，包括從外部設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)、磁盤等）讀取數(shù)據(jù)，以及向外部設(shè)備寫入數(shù)據(jù)。

常見的IO模型包括：

阻塞式IO模型（Blocking IO Model）：在進(jìn)行IO操作時(shí)，進(jìn)程會(huì)被阻塞，直到IO操作完成才能繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。
非阻塞式IO模型（Non-blocking IO Model）：在進(jìn)行IO操作時(shí)，進(jìn)程不會(huì)被阻塞，可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)，但需要不斷輪詢IO狀態(tài)，效率較低。
IO復(fù)用模型（IO Multiplexing Model）：通過select、poll、epoll等機(jī)制，允許單個(gè)進(jìn)程監(jiān)視多個(gè)文件描述符，當(dāng)其中任何一個(gè)文件描述符就緒時(shí)，通知進(jìn)程進(jìn)行IO操作。
信號(hào)驅(qū)動(dòng)式IO模型（Signal-driven IO Model）：通過信號(hào)通知進(jìn)程IO事件的就緒狀態(tài)，進(jìn)程收到信號(hào)后進(jìn)行IO操作。
異步IO模型（Asynchronous IO Model）：IO操作的完成由內(nèi)核來負(fù)責(zé)，進(jìn)程無需等待，可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)，IO完成后會(huì)得到通知。

這些IO模型在不同的場(chǎng)景下有各自的適用性，選擇合適的IO模型可以提高系統(tǒng)的性能和效率。

NIO介紹

NIO（Non-blocking I/O）是Java中用于處理非阻塞I/O操作的一種機(jī)制。它允許程序在等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)繼續(xù)做其他事情，而不是被阻塞在I/O操作上。NIO主要包括以下幾個(gè)核心組件：

通道（Channel）：用于在通信實(shí)體之間傳輸數(shù)據(jù)的雙向連接。
緩沖區(qū)（Buffer）：用于在通道和數(shù)據(jù)源之間傳輸數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域。
選擇器（Selector）：用于檢查一個(gè)或多個(gè)通道是否處于可讀、可寫或者有錯(cuò)誤事件的狀態(tài)。

Channel

NIO中的通道（Channel）是雙向的，可以同時(shí)進(jìn)行讀和寫操作，而傳統(tǒng)的I/O流是單向的，要么是輸入流，要么是輸出流。NIO中的通道可以和多個(gè)緩沖區(qū)進(jìn)行交互，這種方式更加靈活和高效。

NIO中的通道可以分為以下幾種類型：

FileChannel：用于文件的讀寫操作。
SocketChannel：用于通過TCP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。
ServerSocketChannel：用于監(jiān)聽客戶端的連接請(qǐng)求。
DatagramChannel：用于通過UDP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

NIO的Channel提供了非阻塞的I/O操作，可以更好地處理大量的并發(fā)連接。通過Selector，可以實(shí)現(xiàn)單線程管理多個(gè)Channel，提高了I/O的處理效率。

Buffer

Buffer是一個(gè)特定基本類型數(shù)據(jù)的容器，它是一個(gè)數(shù)組，提供了對(duì)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化訪問以及維護(hù)讀寫位置等信息。在NIO中，所有數(shù)據(jù)的讀寫都是通過Buffer來進(jìn)行的。

Buffer類的常用子類包括：

ByteBuffer
CharBuffer
ShortBuffer
IntBuffer
LongBuffer
FloatBuffer
DoubleBuffer

這些子類分別用于存儲(chǔ)不同類型的數(shù)據(jù)。Buffer類提供了一系列方法來讀寫數(shù)據(jù)，管理容量和位置等信息。

在使用Buffer時(shí)，通常需要經(jīng)歷以下四個(gè)步驟：

分配Buffer：通過allocate()方法分配一個(gè)新的Buffer。
寫入數(shù)據(jù)到Buffer：通過put()方法寫入數(shù)據(jù)到Buffer。
切換Buffer為讀模式：通過flip()方法將Buffer從寫模式切換為讀模式。
從Buffer中讀取數(shù)據(jù)：通過get()方法從Buffer中讀取數(shù)據(jù)。

Buffer的使用可以大大提高I/O操作的效率，特別是在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)。因此，它在NIO編程中扮演著非常重要的角色。

Selector

Selector是NIO中的一個(gè)重要組件，用于實(shí)現(xiàn)非阻塞I/O操作。它可以通過一個(gè)線程處理多個(gè)通道的I/O事件，從而提高系統(tǒng)的并發(fā)處理能力。

在Selector模式中，一個(gè)線程可以管理多個(gè)通道，當(dāng)某個(gè)通道有數(shù)據(jù)可讀或者可寫時(shí)，Selector就會(huì)通知相應(yīng)的線程進(jìn)行處理。這種方式避免了傳統(tǒng)I/O模式中每個(gè)連接都需要一個(gè)線程來處理的情況，從而節(jié)省了系統(tǒng)資源。

使用Selector的基本流程如下：

創(chuàng)建Selector
將通道注冊(cè)到Selector上，并指定感興趣的事件類型（如讀、寫）
不斷循環(huán)地調(diào)用Selector的select()方法，檢查是否有通道已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行I/O操作
處理準(zhǔn)備就緒的通道

Selector是NIO中實(shí)現(xiàn)高效I/O的重要工具，能夠提高系統(tǒng)的并發(fā)處理能力和資源利用率。

NIO的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠更高效地處理大量的并發(fā)連接，適用于網(wǎng)絡(luò)編程和高性能服務(wù)器等場(chǎng)景。

NIO使用

NIO適用于需要處理大量并發(fā)連接、大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸和高效利用系統(tǒng)資源的場(chǎng)景。

高并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：NIO可以處理大量并發(fā)連接，適用于開發(fā)高性能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或客戶端。
大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸：NIO提供了通道（Channel）和緩沖區(qū)（Buffer）的概念，可以高效地進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸。
多路復(fù)用：NIO的選擇器（Selector）可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)通道的I/O事件，實(shí)現(xiàn)了多路復(fù)用，提高了I/O操作的效率。
非阻塞I/O：NIO支持非阻塞I/O操作，可以在等待數(shù)據(jù)就緒時(shí)執(zhí)行其他任務(wù)，提高了系統(tǒng)的資源利用率。

NIO進(jìn)行文件讀寫的簡(jiǎn)單示例:

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

public class NIOFileReadWriteExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("example.txt", "rw");
             FileChannel channel = file.getChannel()) {
            String data = "Hello, NIO!";
            byte[] dataArray = data.getBytes();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(dataArray);
            channel.write(buffer);
            buffer.clear();
            channel.read(buffer);
            buffer.flip();
            while (buffer.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) buffer.get());
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

這是一個(gè)使用NIO進(jìn)行文件讀寫的簡(jiǎn)單示例。首先打開一個(gè)文件通道，然后將數(shù)據(jù)寫入文件，再將數(shù)據(jù)從文件讀取出來并打印到控制臺(tái)上。

NIO進(jìn)行Socket通信示例:

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NIOSocketExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 創(chuàng)建一個(gè)SocketChannel
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));

            // 發(fā)送數(shù)據(jù)
            String message = "Hello, Server!";
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            buffer.clear();
            buffer.put(message.getBytes());
            buffer.flip();
            while (buffer.hasRemaining()) {
                socketChannel.write(buffer);
            }

            // 接收數(shù)據(jù)
            buffer.clear();
            int bytesRead = socketChannel.read(buffer);
            buffer.flip();
            byte[] data = new byte[bytesRead];
            buffer.get(data);
            String response = new String(data);
            System.out.println("Server response: " + response);

            // 關(guān)閉SocketChannel
            socketChannel.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的NIO進(jìn)行Socket通信示例，使用SocketChannel進(jìn)行連接、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

需要注意的是，NIO的使用相對(duì)復(fù)雜，需要處理事件的循環(huán)、緩沖區(qū)的管理等，但它能夠提供更高效的I/O操作方式，特別適合處理大量連接的場(chǎng)景。