什么是NIO

Java NIO（New IO）是从Java 1.4版本开始引入的一个新的IO API，可以替代标准的Java IO API。NIO与原来的IO有同样的作用和目的，但是使用的方式完全不同，NIO支持面向缓冲区的、基于通道的IO操作。NIO将以更加高效的方式进行文件的读写操作。

缓冲区(Buffer)

缓冲区类型

Buffer 就像一个数组，可以保存多个相同类型的数据。根据数据类型不同(boolean 除外) ，有以下Buffer 常用子类

ByteBuffer

CharBuffer

ShortBuffer

IntBuffer

LongBuffer

FloatBuffer

DoubleBuffer

各种类型的缓冲区中，都有一个对应类型的数组，如

ByteBuffer

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 final byte[] hb;                  // Non-null only for heap buffersCopy

IntBuffer

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 final int[] hb;                  // Non-null only for heap buffers

获取缓冲区

通过allocate方法可以获取一个对应缓冲区的对象，它是缓冲区类的一个静态方法

例

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 // 获取一个容量大小为字节的字节缓冲区
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate();

核心属性

缓冲区的父类Buffer中有几个核心属性，如下

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 // Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
private int mark = -;
private int position =;
private int limit;
private int capacity;Copy

capacity：缓冲区的容量。通过构造函数赋予，一旦设置，无法更改

limit：缓冲区的界限。位于limit 后的数据不可读写。缓冲区的限制不能为负，并且不能大于其容量

position：下一个读写位置的索引（类似PC）。缓冲区的位置不能为负，并且不能大于limit

mark：记录当前position的值。position被改变后，可以通过调用reset() 方法恢复到mark的位置。

以上四个属性必须满足以下要求

mark <= position <= limit <= capacity

核心方法

put()方法

put()方法可以将一个数据放入到缓冲区中。

进行该操作后，postition的值会+1，指向下一个可以放入的位置。capacity = limit ，为缓冲区容量的值。

flip()方法

• flip()方法会切换对缓冲区的操作模式，由写->读 / 读->写
• 进行该操作后
• 如果是写模式->读模式，position = 0 ， limit 指向最后一个元素的下一个位置，capacity不变
• 如果是读->写，则恢复为put()方法中的值
• get()方法
• get()方法会读取缓冲区中的一个值
• 进行该操作后，position会+1，如果超过了limit则会抛出异常
• rewind()方法
• 该方法只能在读模式下使用
• rewind()方法后，会恢复position、limit和capacity的值，变为进行get()前的值
• clean()方法
• clean()方法会将缓冲区中的各个属性恢复为最初的状态，position = 0, capacity = limit
• 此时缓冲区的数据依然存在，处于“被遗忘”状态，下次进行写操作时会覆盖这些数据

mark()和reset()方法

• mark()方法会将postion的值保存到mark属性中
• reset()方法会将position的值改为mark中保存的值
• 使用展示

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 import java.nio.ByteBuffer;
 
public class demo {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate();
 
        System.out.println("放入前参数");
        System.out.println("position " + byteBuffer.position());
        System.out.println("limit " + byteBuffer.limit());
        System.out.println("capacity " + byteBuffer.capacity());
        System.out.println();
 
        System.out.println("------put()------");
        System.out.println("放入个数据");
        byte bt =;
        byteBuffer.put(bt);
        byteBuffer.put(bt);
        byteBuffer.put(bt);
 
        System.out.println("放入后参数");
        System.out.println("position " + byteBuffer.position());
        System.out.println("limit " + byteBuffer.limit());
        System.out.println("capacity " + byteBuffer.capacity());
        System.out.println();
 
        System.out.println("------flip()-get()------");
        System.out.println("读取一个数据");
        // 切换模式
        byteBuffer.flip();
        byteBuffer.get();
 
        System.out.println("读取后参数");
        System.out.println("position " + byteBuffer.position());
        System.out.println("limit " + byteBuffer.limit());
        System.out.println("capacity " + byteBuffer.capacity());
        System.out.println();
 
        System.out.println("------rewind()------");
        byteBuffer.rewind();
        System.out.println("恢复后参数");
        System.out.println("position " + byteBuffer.position());
        System.out.println("limit " + byteBuffer.limit());
        System.out.println("capacity " + byteBuffer.capacity());
        System.out.println();
 
        System.out.println("------clear()------");
        // 清空缓冲区，这里只是恢复了各个属性的值，但是缓冲区里的数据依然存在
        // 但是下次写入的时候会覆盖缓冲区中之前的数据
        byteBuffer.clear();
        System.out.println("清空后参数");
        System.out.println("position " + byteBuffer.position());
        System.out.println("limit " + byteBuffer.limit());
        System.out.println("capacity " + byteBuffer.capacity());
        System.out.println();
        System.out.println("清空后获得数据");
        System.out.println(byteBuffer.get());
 
    }
}
 放入前参数
position
limit
capacity
 
------put()------
放入个数据
放入后参数
position
limit
capacity
 
------flip()-get()------
读取一个数据
读取后参数
position
limit
capacity
 
------rewind()------
恢复后参数
position
limit
capacity
 
------clear()------
清空后参数
position
limit
capacity
 
清空后获得数据
 
Process finished with exit code

非直接缓冲区和直接缓冲区

非直接缓冲区

通过 allocate() 方法获取的缓冲区都是非直接缓冲区。这些缓冲区是建立在JVM 堆内存 之中的。

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 public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
   if (capacity <)
   throw new IllegalArgumentException();
 
   // 在堆内存中开辟空间
   return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}
 
HeapByteBuffer(int cap, int lim) {        // package-private
   // new byte[cap] 创建数组，在堆内存中开辟空间
   super(-, 0, lim, cap, new byte[cap], 0);
   /*
   hb = new byte[cap];
   offset =;
   */}

通过非直接缓冲区，想要将数据写入到物理磁盘中，或者是从物理磁盘读取数据。都需要经过JVM和操作系统，数据在两个地址空间中传输时，会copy一份保存在对方的空间中。所以费直接缓冲区的读取效率较低.。

直接缓冲区

只有ByteBuffer可以获得直接缓冲区，通过allocateDirect()获取的缓冲区为直接缓冲区，这些缓冲区是建立在物理内存之中的。

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 public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
   return new DirectByteBuffer(capacity);
}
 
DirectByteBuffer(int cap) {                   // package-private
   ...
   // 申请物理内存
   boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
   ...
} 

直接缓冲区通过在操作系统和JVM之间创建物理内存映射文件加快缓冲区数据读/写入物理磁盘的速度。放到物理内存映射文件中的数据就不归应用程序控制了，操作系统会自动将物理内存映射文件中的数据写入到物理内存中。

通道(Channel)

Channel由java.nio.channels 包定义的。Channel 表示IO 源与目标打开的连接。Channel 类似于传统的“流”。只不过Channel 本身不能直接访问数据，Channel 只能与Buffer 进行交互 。

应用程序进行读写操作调用函数时，底层调用的操作系统提供给用户的读写API，调用这些API时会生成对应的指令，CPU则会执行这些指令。在计算机刚出现的那段时间，所有读写请求的指令都有CPU去执行，过多的读写请求会导致CPU无法去执行其他命令，从而CPU的利用率降低。

后来，DMA(Direct Memory Access，直接存储器访问)出现了。当IO请求传到计算机底层时，DMA会向CPU请求，让DMA去处理这些IO操作，从而可以让CPU去执行其他指令。DMA处理IO操作时，会请求获取总线的使用权。当IO请求过多时，会导致大量总线用于处理IO请求，从而降低效率 。

于是便有了Channel(通道)，Channel相当于一个专门用于IO操作的独立处理器，它具有独立处理IO请求的能力，当有IO请求时，它会自行处理这些IO请求 。

Java Channel

• 本地文件IO
• FileChannel
• 网络IO
• SocketChanel、ServerSocketChannel：用于TCP传输
• DatagramChannel：用于UDP传输
• 获得通道的方法
• 对象调用getChannel() 方法
• 获取通道的一种方式是对支持通道的对象调用getChannel() 方法。支持通道的类如下：
• FileInputStream
• FileOutputStream
• RandomAccessFile
• DatagramSocket
• Socket
• ServerSocket
• 例子：

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 import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.nio.channels.DatagramChannel;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.file.Paths;
 
public class demo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 本地通道
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("zwt");
        FileChannel channel = fileInputStream.getChannel();
 
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("zwt");
        FileChannel channel = fileOutputStream.getChannel();
 
        // 网络通道
        Socket socket = new Socket();
        SocketChannel channel = socket.getChannel();
 
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
        ServerSocketChannel channel = serverSocket.getChannel();
 
        DatagramSocket datagramSocket = new DatagramSocket();
        DatagramChannel channel = datagramSocket.getChannel();
 
        // 最后要关闭通道
 
        FileChannel open = FileChannel.open(Paths.get("zwt"));
 
        SocketChannel open = SocketChannel.open();
 
    }
}

getChannel()+非直接缓冲区

• getChannel()获得通道
• allocate()获得非直接缓冲区
• 通过非直接缓冲区读写数据，需要通过通道来传输缓冲区里的数据

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 import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
 
public class demo {
    public static void main(String[] args) {
        FileInputStream is = null;
        FileOutputStream os = null;
        // 获得通道
        FileChannel inChannel = null;
        FileChannel outChannel = null;
 
        // 利用 try-catch-finally 保证关闭
        try {
            is = new FileInputStream("");
            os = new FileOutputStream("");
 
            // 获得通道
            inChannel = is.getChannel();
            outChannel = os.getChannel();
 
            // 获得缓冲区，用于在通道中传输数据
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate();
 
            // 循环将字节数据放入到buffer中，然后写入磁盘中
            while (inChannel.read(byteBuffer) != -) {
                // 切换模式
                byteBuffer.flip();
                outChannel.write(byteBuffer);
                byteBuffer.clear();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (inChannel != null) {
                try {
                    inChannel.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (outChannel != null) {
                try {
                    outChannel.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (is != null) {
                try {
                    is.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (os != null) {
                try {
                    os.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

open()+直接缓冲区

• 通过open获得通道
• 通过FileChannel.map()获取直接缓冲区
• 使用直接缓冲区时，无需通过通道来传输数据，直接将数据放在缓冲区内即可

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 import java.io.IOException;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardOpenOption;
 
public class demo {
   public static void main(String[] args) throws IOException {
       // 通过open()方法来获得通道
       FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get(""), StandardOpenOption.READ);
 
       // outChannel需要为 READ WRITE CREATE模式
       // READ WRITE是因为后面获取直接缓冲区时模式为READ_WRITE模式
       // CREATE是因为要创建新的文件
       FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get(""), StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
 
       // 获得直接缓冲区
       MappedByteBuffer inMapBuf = inChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY,, inChannel.size());
       MappedByteBuffer outMapBuf = outChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE,, inChannel.size());
 
       // 字节数组
       byte[] bytes = new byte[inMapBuf.limit()];
 
       // 因为是直接缓冲区，可以直接将数据放入到内存映射文件，无需通过通道传输
       inMapBuf.get(bytes);
       outMapBuf.put(bytes);
 
       // 关闭缓冲区，这里没有用try-catch-finally
       inChannel.close();
       outChannel.close();
   }
}

通道间直接传输

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 public static void channelToChannel() throws IOException {
  long start = System.currentTimeMillis();
  // 通过open()方法来获得通道
  FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get(""), StandardOpenOption.READ);
 
  // outChannel需要为 READ WRITE CREATE模式
  // READ WRITE是因为后面获取直接缓冲区时模式为READ_WRITE模式
  // CREATE是因为要创建新的文件
  FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get(""), StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
 
  // 通道间直接传输
  inChannel.transferTo(, inChannel.size(), outChannel);
  // 对应的还有transferFrom
  // outChannel.transferFrom(inChannel,, inChannel.size());
 
  inChannel.close();
  outChannel.close();
}

直接缓冲区VS非直接缓冲区

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 // getChannel() + 非直接缓冲区耗时
// open() + 直接缓冲区耗时
// channel transferTo channel耗时
 
直接缓冲区的读写速度虽然很快，但是会占用很多很多内存空间。如果文件过大，会使得计算机运行速度变慢

分散和聚集

分散读取

分散读取（Scattering Reads）是指从Channel 中读取的数据“分散”到多个Buffer 中。

注意：按照缓冲区的顺序，从Channel 中读取的数据依次将 Buffer 填满。

聚集写入

聚集写入（Gathering Writes）是指将多个Buffer 中的数据“聚集”到Channel。

按照缓冲区的顺序，写入position 和limit 之间的数据到Channel。

复制
 import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
 
public class demo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileInputStream is = new FileInputStream("");
        FileOutputStream os = new FileOutputStream("");
 
        FileChannel inChannel = is.getChannel();
        FileChannel outChannel = os.getChannel();
 
        // 获得多个缓冲区，并且放入到缓冲区数组中
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(50);
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        ByteBuffer[] byteBuffers = {byteBuffer, byteBuffer2};
 
        // 分散读取
        inChannel.read(byteBuffers);
 
        byteBuffer.flip();
        byteBuffer.flip();
 
        // 聚集写入
        outChannel.write(byteBuffers);
    }
}

非阻塞式网络通信

概念

底层原理可见：操作系统-文件IO

举个你去饭堂吃饭的例⼦，你好⽐⽤户程序，饭堂好⽐操作系统。

阻塞 I/O 好⽐，

你去饭堂吃饭，但是饭堂的菜还没做好，然后你就⼀直在那⾥等啊等，

等了好⻓⼀段时间终于等到饭堂阿姨把菜端了出来（数据准备的过程），

但是你还得继续等阿姨把菜（内核空间）打到你的饭盒⾥（⽤户空间），

经历完这两个过程，你才可以离开。

⾮阻塞 I/O 好⽐，

你去了饭堂，问阿姨菜做好了没有，阿姨告诉你没，

你就离开了，过⼏⼗分钟，你⼜来，

饭堂问阿姨，阿姨说做好了，于是阿姨帮你把菜打到你的饭盒⾥，这个过程你是得等待的。

基于⾮阻塞的 I/O 多路复⽤好⽐，

你去饭堂吃饭，发现有⼀排窗⼝，饭堂阿姨告诉你这些窗⼝都还没做好菜，

等做好了再通知你，于是等啊等（ select 调⽤中），过了⼀会阿姨通知你菜做好了，

但是不知道哪个窗⼝的菜做好了，你⾃⼰看吧。

于是你只能⼀个⼀个窗⼝去确认，后⾯发现 号窗⼝菜做好了，

于是你让 号窗⼝的阿姨帮你打菜到饭盒⾥，这个打菜的过程你是要等待的，虽然时间不⻓。

打完菜后，你⾃然就可以离开了。

异步 I/O 好⽐，

你让饭堂阿姨将菜做好并把菜打到饭盒⾥后，把饭盒送到你⾯前，整个过程你都不需要任何等待。

阻塞式网络通信

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 package NIOAndBIO;
 
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardOpenOption;
 
public class BIO {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            try {
                server();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
 
        Thread thread = new Thread(() -> {
            try {
                client();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
 
        thread.start();
        thread.start();
    }
 
    public static void client() throws IOException {
        // 创建客户端通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress(".0.0.1", 2022));
 
        // 读取信息 D:bizhibizhiwallhaven-kwp2qq.jpg
        FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("D:\bizhi\bizhi\wallhaven-kwp2qq.jpg"), StandardOpenOption.READ);
 
        // 创建缓冲区
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate();
 
        // 写入数据
        while (fileChannel.read(byteBuffer) != -) {
            byteBuffer.flip();
            socketChannel.write(byteBuffer);
            byteBuffer.clear();
        }
 
        fileChannel.close();
        socketChannel.close();
    }
 
    public static void server() throws IOException {
        // 创建服务端通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
 
        FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("D:\bizhi\bizhi\wallhaven-kwp2qq.jpg"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);
 
        // 绑定链接
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress());
 
        // 获取客户端的通道
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
 
        // 创建缓冲区
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate();
 
        while (socketChannel.read(byteBuffer) != -) {
            byteBuffer.flip();
            fileChannel.write(byteBuffer);
            byteBuffer.clear();
        }
 
        socketChannel.close();
        fileChannel.close();
        serverSocketChannel.close();
    }
}

非阻塞式网络通信

复制
 package NIOAndBIO;
 
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.Scanner;
 
public class NIO {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(()->{
            try {
                server();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
 
        Thread thread = new Thread(()->{
            try {
                client();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        thread.start();
        thread.start();
    }
 
    public static void client() throws IOException {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress(".0.0.1", 2020));
 
        // 设置为非阻塞模式
        socketChannel.configureBlocking(false);
 
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate();
 
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (scanner.hasNext()) {
            String str = scanner.next();
            byteBuffer.put(str.getBytes());
            byteBuffer.flip();
            socketChannel.write(byteBuffer);
            byteBuffer.clear();
        }
 
        byteBuffer.clear();
 
        socketChannel.close();
    }
 
    public static void server() throws IOException {
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress());
 
        // 获得选择器
        Selector selector = Selector.open();
 
        // 将通道注册到选择器中，设定为接收操作
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
 
        // 轮询接受
        while (selector.select() >) {
            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            // 获得事件的key
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                if (key.isAcceptable()) {
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } else if (key.isReadable()) {
                    // 从选择器中获取通道
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
 
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate();
 
                    while (socketChannel.read(byteBuffer) != -) {
                        int len = byteBuffer.limit();
                        byteBuffer.flip();
                        System.out.println(new String(byteBuffer.array(),, len));
                        byteBuffer.clear();
                    }
                    socketChannel.close();
                }
                iterator.remove();
            }
        }
        serverSocketChannel.close();
    }
}

选择器

选择器（Selector）是SelectableChannle 对象的多路复用器，Selector 可以同时监控多个SelectableChannel 的IO 状况，也就是说，利用Selector 可使一个单独的线程管理多个Channel。Selector 是非阻塞IO 的核心 。

选择器的创建

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 // 创建一个选择器
Selector selector = Selector.open();

绑定选择器

通过调用通道的register方法可以绑定选择器，register方法有两个参数

Selector：即绑定哪个选择器

ops：监听事件类型。ops有4个值可以选择，为SelectionKey的静态属性

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 // 让选择器监听一种状态
myChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
// 让选择器监听多种状态
myChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT);

SelectionKey

表示SelectableChannel 和Selector 之间的注册关系。每次向选择器注册通道时就会选择一个事件(选择键)。选择键包含两个表示为整数值的操作集。操作集的每一位都表示该键的通道所支持的一类可选择操作。