Java的NIO

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Java NIO（New I/O，新 I/O）是 Java 1.4 版本引入的一组用于进行非阻塞 I/O 操作的 API。相比于传统的 Java I/O（或称为 IOStream），Java NIO 提供了更为灵活、可扩展和高性能的 I/O 处理方式。

Java NIO 的核心组件主要包括以下几个部分：

通道（Channel）和缓冲区（Buffer）：
- 通道代表了连接到实体（如文件、网络套接字等）的打开连接。通道可以进行读取和写入操作。
- 缓冲区是一个对象，它存储了数据，用于在通道之间传输。通常是通过字节缓冲区（ByteBuffer）、字符缓冲区（CharBuffer）、整数缓冲区（IntBuffer）等来操作数据。
选择器（Selector）：
- 选择器是 Java NIO 实现非阻塞 I/O 的关键部分。它允许单个线程处理多个通道的 I/O 操作。通过选择器，可以实现一个线程管理多个通道的能力，提高了处理连接的效率。
通道和选择器的配合使用：
- 通过将通道注册到选择器中，可以让一个选择器监视多个通道上的事件。当一个或多个通道上的事件发生时（比如数据准备就绪、连接就绪等），选择器会通知程序，程序可以处理这些事件。

Java NIO 提供了更底层、更灵活的 API，使得开发者可以更好地控制 I/O 操作，并在处理大量连接时获得更好的性能。它通常用于构建需要高性能网络通信的应用程序，如网络服务器、实时通信系统等。

虽然 Java NIO 提供了更多的控制权和性能优势，但它也更为复杂，相较于传统的 Java I/O，使用起来可能需要更多的编程经验和理解。近年来，一些高级框架（如 Netty、Vert.x 等）基于 Java NIO，使得开发者更容易使用和管理非阻塞 I/O，减少了开发的复杂性。

1.为什么会出现NIO

Java NIO（New I/O）的出现是为了解决传统 I/O 在处理大量连接时的性能问题。在传统的阻塞 I/O 模型中，每个连接都需要一个单独的线程来处理，当连接数量增多时，会导致线程数量暴增，消耗大量系统资源，且效率低下。

Java NIO 的出现主要是为了解决传统 I/O 的几个问题：

连接数量与线程开销问题：传统 I/O 模型中，每个连接需要一个独立的线程来处理，线程开销较大。当连接数目增多时，会消耗过多的系统资源，同时线程切换开销也会增加。
阻塞与非阻塞：传统 I/O 操作是阻塞的，即当数据准备好之前，线程会一直等待数据的到来。在某些场景下，这种等待会导致资源浪费。
事件驱动：在处理网络操作时，传统 I/O 模型中常常需要轮询来检查连接是否有数据可读写，效率较低。

Java NIO 提供了非阻塞的 I/O 操作，通过 Channel 和 Selector 的概念，使得单个线程可以处理多个连接的 I/O 操作，减少了线程数量和系统资源的消耗。它采用了事件驱动的模型，通过选择器（Selector）监听多个通道的事件，并在事件发生时进行相应的处理，避免了不必要的轮询。

这些特性使得 Java NIO 更适用于处理大量连接、高并发的网络应用场景，提高了系统的效率和可伸缩性。虽然 Java NIO 相对于传统 I/O 更为复杂，但它带来了更高的性能和更好的资源利用率，因此得到了广泛的应用。

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2.1.传统代码实现传统阻塞I/O

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;public class SimpleEchoServer {public static void main(String[] args) {try {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);System.out.println("Server started...");while (true) {Socket clientSocket = serverSocket.accept();System.out.println("Client connected: " + clientSocket);BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));PrintWriter writer = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream()), true);String inputLine;while ((inputLine = reader.readLine()) != null) {System.out.println("Received message from client: " + inputLine);writer.println("Server echo: " + inputLine);}reader.close();writer.close();clientSocket.close();}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.Socket;public class SimpleEchoClient {public static void main(String[] args) {try {Socket socket = new Socket("localhost", 8080);PrintWriter writer = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()), true);BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));BufferedReader userInputReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));String userInput;while ((userInput = userInputReader.readLine()) != null) {writer.println(userInput);String response = reader.readLine();System.out.println("Server response: " + response);}writer.close();reader.close();userInputReader.close();socket.close();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

在这个简单的示例中，服务器接受客户端连接，读取客户端发送的消息并将其发送回客户端。客户端连接到服务器并发送消息，然后等待服务器返回的消息并打印。

请注意，这只是一个基于阻塞 I/O 的简单示例，实际应用中可能需要更多的错误处理、线程管理和优化。这种实现方式会为每个连接创建一个新的线程，当连接数增加时可能会导致线程资源的消耗过多。在高并发情况下，这种实现方式可能会遇到性能瓶颈。对于需要更高性能和可伸缩性的网络应用，可以考虑使用基于 Java NIO 的技术框架来实现。

2.2.NIO实现

下面是一个简单的基于 Java NIO 实现的简单通信示例，包括服务端和客户端：

NIO 服务端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;public class NIOServer {public static void main(String[] args) {try {ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));serverSocketChannel.configureBlocking(false);Selector selector = Selector.open();serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);System.out.println("Server started...");while (true) {selector.select();Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();clientChannel.configureBlocking(false);clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);System.out.println("Client connected: " + clientChannel.getRemoteAddress());} else if (key.isReadable()) {SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);int bytesRead = clientChannel.read(buffer);if (bytesRead == -1) {clientChannel.close();key.cancel();System.out.println("Client disconnected: " + clientChannel.getRemoteAddress());continue;}buffer.flip();byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];buffer.get(bytes);String message = new String(bytes).trim();System.out.println("Received from client " + clientChannel.getRemoteAddress() + ": " + message);// Echo back to the clientclientChannel.write(ByteBuffer.wrap(("Echo: " + message).getBytes()));}iterator.remove();}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

NIO 客户端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;public class NIOClient {public static void main(String[] args) {try {SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));String message = "Hello, server!";ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(message.getBytes());socketChannel.write(buffer);buffer.clear();socketChannel.read(buffer);buffer.flip();byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];buffer.get(bytes);System.out.println("Server response: " + new String(bytes).trim());socketChannel.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}