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Java网络编程-NIO原理

​​Java NIO原理与简单实现​​

正文

NIO 简介

NIO有两种解释：一种叫非阻塞IO（Non-blocking I/O），另一种叫新的IO（New I/O），其实是同一个概念。它是一种同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路复用的基础，已经被越来越多地应用到大型应用服务器，成为解决高并发与大量连接、I/O处理问题的有效方式。

NIO是一种基于​

​通道​

​​和​

​缓冲区​

​​的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存（区别于JVM的运行时数据区），然后通过一个存储在Java堆里面的​

​DirectByteBuffer​

​对象作为这块内存的直接引用进行操作。这样能在一些场景显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

NIO组件

NIO主要有三大核心部分：​

​Channel（通道）​

​​，​

​Buffer（缓冲区）​

​​, ​

​Selector（选择器）​

​​。传统IO是基于​

​字节流​

​​和​

​字符流​

​​进行操作（基于流​

​Stream​

​​），而NIO基于​

​Channel​

​​和​

​Buffer​

​​进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。​

​Selector​

​用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个线程就可以监听多个数据通道。

1. ​

   ​Buffer​

   ​​（缓冲区）是一个用于存储特定基本类型数据的容器。除了boolean外，其余每种基本类型都有一个对应的​

   ​Buffer​

   ​类。​

   ​Buffer​

   ​类的子类有​

   ​ByteBuffer​

   ​, ​

   ​CharBuffer​

   ​, ​

   ​DoubleBuffer​

   ​, ​

   ​FloatBuffer​

   ​, ​

   ​IntBuffer​

   ​, ​

   ​LongBuffer​

   ​, ​

   ​ShortBuffer​

   ​ 。
2. ​

   ​Channel​

   ​​（通道）表示到实体，如硬件设备、文件、网络套接字或可以执行一个或多个不同 I/O 操作（如读取或写入）的程序组件的开放的连接。​

   ​Channel​

   ​接口的常用实现类有​

   ​FileChannel​

   ​（对应文件IO）、​

   ​DatagramChannel​

   ​（对应UDP）、​

   ​SocketChannel​

   ​和​

   ​ServerSocketChannel​

   ​（对应TCP的客户端和服务器端）。​

   ​Channel​

   ​和IO中的​

   ​Stream​

   ​(流)是差不多一个等级的。只不过​

   ​Stream​

   ​是单向的，譬如：​

   ​InputStream​

   ​, ​

   ​OutputStream​

   ​。而​

   ​Channel​

   ​是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。
3. ​

   ​Selector​

   ​（选择器）用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个的线程可以监听多个数据通道。即用选择器，借助单一线程，就可对数量庞大的活动I/O通道实施监控和维护。

基于​

​阻塞式I/O​

​​的多线程模型中（​

​BIO模型​

​），Server为每个Client连接创建一个处理线程，每个处理线程阻塞式等待可能达到的数据，一旦数据到达，则立即处理请求、返回处理结果并再次进入等待状态。由于每个Client连接有一个单独的处理线程为其服务，因此可保证良好的响应时间。但当系统负载增大（并发请求增多）时，Server端需要的线程数会增加，对于操作系统来说，线程之间上下文切换的开销很大，而且每个线程都要占用系统的一些资源（如内存）。因此，使用的线程数量尽量不用太多。

但是，现代的操作系统和CPU在多任务方面表现的越来越好，所以多线程的开销随着时间的推移，变得越来越小了。实际上，如果一个CPU有多个内核，不使用多任务可能是在浪费CPU能力。

BIO模型的处理方式，一个线程处理一个网络连接，如下图所示：

NIO模型的处理方式，一个线程可以管理多个网络连接，如下图所示：