Java 入门指南：初识 Java NIO

news2024/9/21 9:50:17

NIO 的引入

在传统的 Java I/O 模型（BIO）中，I/O 操作是以阻塞的方式进行的。当一个线程执行一个 I/O 操作时，它会被阻塞直到操作完成。这种阻塞模型在处理多个并发连接时可能会导致性能瓶颈，因为需要为每个连接创建一个线程，而线程的创建和切换都是有开销的。

为了解决这个问题，在 Java1.4 版本引入了 NIO（New I/O or Non-Blocking I/O）java.nio。提供了一种基于缓冲区、选择器和非阻塞 IO 模型的 IO 处理方式。相比于之前的 BIO 模型，NIO 可以实现更高的并发、更低的延迟以及更少的资源消耗。

I/O 包和 NIO 已经很好地集成了，java.io 也已经以 NIO 为基础重新实现了，所以现在它可以利用 NIO 的一些特性。例如，java.io 包中的一些类包含以块的形式读写数据的方法，这使得即使在面向流的系统中，处理速度也会更快。

![[BIO vs NIO.png]]

使用 NIO 并不一定意味着高性能，它的性能优势主要体现在高并发和高延迟的网络环境下。当连接数较少、并发程度较低或者网络传输速度较快时，NIO 的性能并不一定优于传统的 BIO 。

NIO 的组成部分

缓冲区（Buffer）

定义：缓冲区是 Java NIO 中的一个核心概念，它是用于存储IO操作数据的一段连续区域。
类型：Java NIO 提供了多种类型的缓冲区，如 ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer 等，以适应不同的数据类型需求。
属性：每个缓冲区都有四个重要的属性，分别是容量（Capacity）、位置（Position）、限制（Limit）和标记（Mark）。
操作：缓冲区的读写操作会修改其位置和限制属性，以确保数据能够正确地进行传输和处理。

通道（Channel）

定义：通道是 Java NIO 中网络通信和文件 IO 操作的抽象，类似于传统 IO 中的 Stream，但它更加灵活和高效。
类型：Java NIO 提供了多种类型的通道，如 FileChannel（用于文件读写操作）、DatagramChannel（用于 UDP 协议的网络通信）、SocketChannel（用于 TCP 协议的网络通信）和 ServerSocketChannel（用于监听 TCP 连接请求）。
特点：通道可以与缓冲区结合使用，通过缓冲区直接在内存中进行数据的读写操作，从而避免了传统IO中的频繁磁盘访问。

选择器（Selector）

定义：选择器是Java NIO中的一个重要组件，它允许一个线程同时监听多个通道上的IO事件。
作用：通过选择器，可以实现单线程管理多个通道的方式，从而大大提高IO操作的并发性能。
使用：在选择器的模型中，每个通道都会注册到一个选择器上，并且每个通道都有一个其唯一的选择键（SelectionKey）对象来代表这个通道。当通道上的IO事件发生时，选择器会通知相应的线程进行处理。

NIO 与 BIO 的差异

I/O 与 NIO 最重要的区别是数据打包和传输的方式，I/O 以流的方式处理数据，而 NIO 以块（缓冲区）的方式处理数据。

面向流的 I/O 一次处理一个字节数据: 一个输入流产生一个字节数据，一个输出流消费一个字节数据。为流式数据创建过滤器非常容易，链接几个过滤器，以便每个过滤器只负责复杂处理机制的一部分。不利的一面是，面向流的 I/O 通常相当慢。

面向块的 I/O 一次处理一个数据块，按块处理数据比按流处理数据要快得多。但是面向块的 I/O 缺少一些面向流的 I/O 所具有的优雅性和简单性。

传统 I/O 使用 Socket 和 SeverSocket 进行网络传输，存在阻塞问题。NIO 提供了 ServerChannel 和 ServerSocketChannel，支持非阻塞网络传输，提高了并发处理能力。

BIO、NIO 与 AIO

BIO（Blocking I/O）：采用阻塞式 I/O 模型，线程在执行 I/O 操作时被阻塞，无法处理其他任务，适用于连接数较少且稳定的场景。

NIO（New I/O 或 Non-blocking I/O）：使用非阻塞 I/O 模型，线程在等待 I/O 时可执行其他任务，通过 Selector 监控多个 Channel 上的事件，提高性能和可伸缩性，适用于高并发场景。

AIO（Asynchronous I/O）：采用异步 I/O 模型，线程发起 I/O 请求后立即返回，当 I/O 操作完成时通过回调函数通知线程，进一步提高了并发处理能力，适用于高吞吐量场景。

NIO 的优势

IO 操作主要在 文件IO 和 网络IO 场景下应用。NIO 的优势之处主要体现在网络 IO 场景下。

NIO（New I/O）的设计目标是解决传统 I/O（BIO，Blocking I/O）在处理大量并发连接时的性能瓶颈。传统 I/O 在网络通信中主要使用阻塞式 I/O，为每个连接分配一个线程。当连接数量增加时，系统性能将受到严重影响，线程资源成为关键瓶颈。而 NIO 可以在单个线程中处理多个并发连接，从而在网络传输中显著提高性能。

NIO 支持非阻塞 I/O，这意味着在执行 I/O 操作时，线程不会被阻塞。这使得在网络传输中可以有效地管理大量并发连接（数千甚至数百万）。而在操作文件时，这个优势没有那么明显，因为文件读写通常不涉及大量并发操作。
NIO 支持 I/O 多路复用，这意味着一个线程可以同时监视多个通道（如 Socket），并在 I/O 事件（如可读、可写）准备好时处理它们。这大大提高了网络传输中的性能，因为单个线程可以高效地管理多个并发连接。操作文件时这个优势也无法提现出来。
NIO 提供了 ByteBuffer，可以高效地管理缓冲区。这在网络传输中很重要，因为数据通常是以字节流的形式传输。操作文件的时候，虽然也有缓冲区，但优势仍然不够明显。