一、簡(jiǎn)介

1.1 什么是Java NIO

Java NIO（New IO）是Java平臺(tái)提供的一種用于高效處理I/O操作的API。它引入了一組新的類和概念，以提供更好的性能和可擴(kuò)展性。

1.2 Java NIO與傳統(tǒng)IO的區(qū)別

Java NIO與傳統(tǒng)的IO（Input/Output）模型在很多方面有所不同。

• 通道與緩沖區(qū)：Java NIO通過使用通道（Channel）和緩沖區(qū)（Buffer）來進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。傳統(tǒng)IO則使用流（Stream）來實(shí)現(xiàn)。通道是雙向的，可以同時(shí)進(jìn)行讀寫操作，而流只能單向傳輸。通過使用緩沖區(qū)，Java NIO可以提高I/O操作的效率。
• 非阻塞I/O：Java NIO支持非阻塞式的I/O操作。傳統(tǒng)的IO操作是阻塞的，當(dāng)進(jìn)行讀寫操作時(shí)，程序會(huì)一直等待直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好或操作完成。而Java NIO中的非阻塞I/O允許程序在等待數(shù)據(jù)時(shí)繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)，提高了系統(tǒng)的并發(fā)性能。
• 選擇器：Java NIO提供了選擇器（Selector）的概念，可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)通道的I/O事件。通過選擇器，一個(gè)線程可以管理多個(gè)通道的讀寫操作，減少了線程的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

1.3 Java NIO的優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景

Java NIO相較于傳統(tǒng)IO模型具有以下優(yōu)勢(shì)：

• 高性能：Java NIO的非阻塞I/O和選擇器機(jī)制使得程序能夠高效地處理大量的并發(fā)連接。這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)編程和服務(wù)器應(yīng)用非常重要。
• 可擴(kuò)展性：Java NIO的選擇器允許一個(gè)線程管理多個(gè)通道，減少了線程的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。這對(duì)于需要處理大量連接的服務(wù)器應(yīng)用非常有利。
• 多路復(fù)用：Java NIO的選擇器可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)通道的I/O事件，實(shí)現(xiàn)了多路復(fù)用。這意味著一個(gè)線程可以同時(shí)處理多個(gè)通道的讀寫操作，減少了線程切換的開銷。

Java NIO適用于以下場(chǎng)景：

• 網(wǎng)絡(luò)編程：Java NIO的非阻塞I/O和選擇器使得它非常適合開發(fā)高性能的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，例如Web服務(wù)器、聊天服務(wù)器等。
• 大規(guī)模并發(fā)連接：Java NIO的可擴(kuò)展性和多路復(fù)用特性使得它非常適合處理大量的并發(fā)連接，例如高性能的代理服務(wù)器、消息隊(duì)列等。

// 示例代碼
import java.nio.Buffer;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardOpenOption;
public class NIOExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 打開文件通道
            Path path = Paths.get("example.txt");
            FileChannel channel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ);
            // 創(chuàng)建緩沖區(qū)
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            // 從通道讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)
            int bytesRead = channel.read(buffer);
            // 重置緩沖區(qū)的位置和限制
            buffer.flip();
            // 從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)
            while (buffer.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) buffer.get());
            }
            // 關(guān)閉通道
            channel.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

以上代碼展示了如何使用Java NIO進(jìn)行文件讀取操作。通過打開文件通道、創(chuàng)建緩沖區(qū)、從通道讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，然后從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)高效的文件讀取操作。

二、NIO核心組件

2.1 緩沖區(qū)（Buffer）

緩沖區(qū)（Buffer）是Java NIO中的核心概念之一，用于在Java NIO通道中讀寫數(shù)據(jù)。它提供了一種順序訪問數(shù)據(jù)的方式，并提供了對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫操作。

2.1.1 直接緩沖區(qū)（Direct Buffer）

直接緩沖區(qū)（Direct Buffer）是一種使用Native內(nèi)存（直接內(nèi)存）的緩沖區(qū)。與堆緩沖區(qū)相比，直接緩沖區(qū)的讀寫性能更高，但創(chuàng)建和銷毀的代價(jià)也更高。

創(chuàng)建直接緩沖區(qū)的示例代碼如下：

// 創(chuàng)建直接緩沖區(qū)
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

2.1.2 堆緩沖區(qū)（Heap Buffer）

堆緩沖區(qū)（Heap Buffer）是一種使用Java堆內(nèi)存的緩沖區(qū)。它是Java NIO中最常用的緩沖區(qū)類型。與直接緩沖區(qū)相比，堆緩沖區(qū)的讀寫性能稍低，但創(chuàng)建和銷毀的代價(jià)更低。

創(chuàng)建堆緩沖區(qū)的示例代碼如下：

// 創(chuàng)建堆緩沖區(qū)
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

2.2 通道（Channel）

通道（Channel）是Java NIO中用于進(jìn)行I/O操作的對(duì)象。它可以與緩沖區(qū)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和寫入。

2.2.1 文件通道（FileChannel）

文件通道（FileChannel）用于對(duì)文件進(jìn)行讀寫操作。它是通過調(diào)用 FileChannel.open() 方法來獲取的。

使用文件通道讀取文件的示例代碼如下：

// 打開文件通道
Path path = Paths.get("example.txt");
FileChannel channel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ);
// 創(chuàng)建緩沖區(qū)
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 從通道讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)
int bytesRead = channel.read(buffer);
// 重置緩沖區(qū)的位置和限制
buffer.flip();
// 從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)
while (buffer.hasRemaining()) {
    System.out.print((char) buffer.get());
}
// 關(guān)閉通道
channel.close();

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)通道（SocketChannel和ServerSocketChannel）

網(wǎng)絡(luò)通道（SocketChannel和ServerSocketChannel）用于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。SocketChannel用于客戶端，ServerSocketChannel用于服務(wù)器端。

使用SocketChannel進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的示例代碼如下：

// 打開SocketChannel
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("example.com", 8080));
// 創(chuàng)建緩沖區(qū)
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 從SocketChannel讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)
int bytesRead = socketChannel.read(buffer);
// 重置緩沖區(qū)的位置和限制
buffer.flip();
// 從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)
while (buffer.hasRemaining()) {
    System.out.print((char) buffer.get());
}
// 關(guān)閉SocketChannel
socketChannel.close();

2.3 選擇器（Selector）

選擇器（Selector）是Java NIO中的一個(gè)高級(jí)概念，用于監(jiān)控多個(gè)通道的I/O事件。通過使用選擇器，一個(gè)線程可以管理多個(gè)通道的讀寫操作，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

使用選擇器的示例代碼如下：

// 打開選擇器
Selector selector = Selector.open();
// 將通道注冊(cè)到選擇器上
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
// 循環(huán)處理選擇器上的事件
while (true) {
    // 選擇器等待事件
    int readyChannels = selector.select();
    // 處理選擇器上的事件
    if (readyChannels > 0) {
        Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
        for (SelectionKey key : selectedKeys) {
            if (key.isReadable()) {
                // 處理讀事件
            } else if (key.isWritable()) {
                // 處理寫事件
            }
        }
        selectedKeys.clear();
    }
}
// 關(guān)閉選擇器
selector.close();

三、非阻塞IO

3.1 非阻塞模式介紹

非阻塞模式是Java NIO中的一種I/O模式，它允許程序在等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)，而不是一直等待數(shù)據(jù)的到達(dá)或操作的完成。在非阻塞模式下，當(dāng)進(jìn)行I/O操作時(shí)，如果數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好或操作無法立即完成，程序會(huì)立即返回，而不會(huì)阻塞等待。

3.2 非阻塞IO的工作原理

非阻塞IO的工作原理基于選擇器（Selector）和通道（Channel）的結(jié)合使用。選擇器允許程序同時(shí)監(jiān)控多個(gè)通道的I/O事件，而通道的非阻塞模式允許程序在等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。

非阻塞IO的工作流程如下：

1. 打開選擇器（Selector）并將通道（Channel）注冊(cè)到選擇器上。
2. 程序循環(huán)等待選擇器上的事件，調(diào)用選擇器的 select() 方法。
3. 當(dāng)選擇器上有事件發(fā)生時(shí)，程序獲取到發(fā)生事件的通道（SelectionKey）。
4. 根據(jù)通道的事件類型進(jìn)行相應(yīng)的處理，例如讀事件或?qū)懯录?/li>
5. 處理完事件后，程序繼續(xù)等待選擇器上的事件。

3.3 非阻塞IO的應(yīng)用場(chǎng)景

非阻塞IO適用于以下場(chǎng)景：

• 高并發(fā)連接：非阻塞IO可以處理大量的并發(fā)連接，提高系統(tǒng)的并發(fā)性能。它適用于需要同時(shí)處理多個(gè)連接的服務(wù)器應(yīng)用，例如聊天服務(wù)器、代理服務(wù)器等。
• 響應(yīng)性能要求高：非阻塞IO允許程序在等待數(shù)據(jù)時(shí)繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)性能。它適用于對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求較高的應(yīng)用，例如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、游戲服務(wù)器等。
• 長(zhǎng)連接應(yīng)用：非阻塞IO適用于長(zhǎng)時(shí)間保持連接的應(yīng)用，例如網(wǎng)絡(luò)游戲、消息隊(duì)列等。

非阻塞IO的示例代碼如下：

// 打開SocketChannel并設(shè)置為非阻塞模式
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.configureBlocking(false);
// 連接服務(wù)器
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("example.com", 8080));
// 循環(huán)等待連接完成
while (!socketChannel.finishConnect()) {
    // 連接未完成，繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)
}
// 連接完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作
if (socketChannel.isConnected()) {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    // 從SocketChannel讀取數(shù)據(jù)
    int bytesRead = socketChannel.read(buffer);
    // 從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)
    buffer.flip();
    while (buffer.hasRemaining()) {
        System.out.print((char) buffer.get());
    }
    // 寫入數(shù)據(jù)到SocketChannel
    String message = "Hello, Server!";
    buffer.clear();
    buffer.put(message.getBytes());
    buffer.flip();
    while (buffer.hasRemaining()) {
        socketChannel.write(buffer);
    }
    // 關(guān)閉SocketChannel
    socketChannel.close();
}

四、事件驅(qū)動(dòng)編程

4.1 Java NIO的事件驅(qū)動(dòng)模型

Java NIO采用了事件驅(qū)動(dòng)模型來處理I/O操作。在事件驅(qū)動(dòng)模型中，程序通過監(jiān)聽和處理事件來驅(qū)動(dòng)I/O操作的進(jìn)行。當(dāng)某個(gè)事件發(fā)生時(shí)，程序會(huì)調(diào)用相應(yīng)的事件處理器來處理事件。

4.2 事件監(jiān)聽器和處理器

事件監(jiān)聽器（EventListener）用于監(jiān)聽特定類型的事件，并在事件發(fā)生時(shí)觸發(fā)相應(yīng)的事件處理器（EventHandler）。事件監(jiān)聽器和處理器是事件驅(qū)動(dòng)編程的核心組件。

Java NIO中的事件監(jiān)聽器和處理器通常使用選擇器（Selector）來實(shí)現(xiàn)。選擇器可以同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)通道上的事件，并根據(jù)事件類型調(diào)用相應(yīng)的事件處理器。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的demo，演示Java NIO中的事件監(jiān)聽器和處理器的使用：

// 創(chuàng)建事件監(jiān)聽器接口
interface EventListener {
    void onEvent(Event event);
}
// 創(chuàng)建事件處理器類
class EventHandler implements EventListener {
    @Override
    public void onEvent(Event event) {
        // 處理事件的邏輯
        System.out.println("處理事件：" + event);
    }
}
// 創(chuàng)建事件類
class Event {
    private String name;
    public Event(String name) {
        this.name = name;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Event{" +
                "name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}
// 創(chuàng)建事件源類
class EventSource {
    private EventListener listener;
    public void setEventListener(EventListener listener) {
        this.listener = listener;
    }
    public void fireEvent(Event event) {
        // 觸發(fā)事件
        if (listener != null) {
            listener.onEvent(event);
        }
    }
}
// 使用事件監(jiān)聽器和處理器
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建事件處理器
        EventHandler eventHandler = new EventHandler();
        // 創(chuàng)建事件源
        EventSource eventSource = new EventSource();
        eventSource.setEventListener(eventHandler);
        // 創(chuàng)建事件
        Event event = new Event("點(diǎn)擊事件");
        // 觸發(fā)事件
        eventSource.fireEvent(event);
    }
}

可以看到程序定義了一個(gè)事件監(jiān)聽器接口 EventListener ，其中包含一個(gè) onEvent() 方法用于處理事件。然后創(chuàng)建了一個(gè)事件處理器類 EventHandler ，實(shí)現(xiàn)了 EventListener 接口，并在 onEvent() 方法中定義了具體的事件處理邏輯。

程序還定義了一個(gè)事件類 Event ，用于表示具體的事件。事件源類 EventSource 用于觸發(fā)事件，并根據(jù)設(shè)置的事件監(jiān)聽器調(diào)用相應(yīng)的事件處理器來處理事件。

在 Main 類的main()方法中，程序創(chuàng)建了一個(gè)事件處理器eventHandler和一個(gè)事件源eventSource，并將事件處理器設(shè)置為事件源的監(jiān)聽器。然后創(chuàng)建了一個(gè)事件event，并通過事件源觸發(fā)了事件。

事件驅(qū)動(dòng)模型通過事件監(jiān)聽器和處理器來驅(qū)動(dòng)I/O操作的進(jìn)行，事件監(jiān)聽器監(jiān)聽特定類型的事件，并在事件發(fā)生時(shí)觸發(fā)相應(yīng)的事件處理器來處理事件。

到此這篇關(guān)于Java的NIO之并發(fā)環(huán)境下非阻塞IO技術(shù)詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)NIO非阻塞IO內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！