这篇文章主要介绍了java基础之NIO介绍及使用,文中有非常详细的代码示例,对正在学习java基础的小伙伴们有非常好的帮助,需要的朋友可以参考下
一、NIO 简介
java.nio 全称 java non-blocking IO，是指 JDK 提供的新 API。从 JDK1.4 开始，Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为 NIO(即 New IO)。新增了许多用于处理输入输出的类，这些类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行改写，新增了满足 NIO 的功能。
NIO 以块的方式处理数据，块 IO 的效率比流 IO 的效率高很多。
NIO 是非阻塞的，同时实现了 IO 多路复用。NIO 中用户线程不会被读写操作阻塞住，它可以继续干事情，所以 NIO 是可以做到用一个线程来处理多个操作的，使用它可以提供非阻塞的高伸缩性网络。
1、NIO 三大核心
NIO 主要有三大核心：Channel（通道）、Buffer(缓冲区)、Selector(选择器)。
NIO 是基于 Channel 和缓冲区进行操作的，数据是从通道读取到缓冲区，或者是缓冲区写入到通道中。Selector(选择区)用于监听多个通道的事件(比如:连接请求、数据到达等)，使用单个线程就可以监听到多个客户端通道。
（1）缓冲区 Buffer
缓冲区就是用来存放具体要被操作和传输的数据。
缓冲区实际上是一个容器对象，更直接的说，其实就是一个数组，在 NIO 库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的； 在写入数据时，它也是写入到缓冲区中的；任何时候访问 NIO 中的数据，都是将它放到缓冲区中。Channel 提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer，如下图所示：
在 NIO 中，所有的缓冲区类型都继承于抽象类 Buffer，最常用的就是 ByteBuffer，对于 Java 中的基本类型，基本都有一个具体 Buffer 类型与之相对应，它们之间的继承关系如下图所示：
Buffer 的基本原理：
缓冲区对象本质上是一个数组，但它其实是一个特殊的数组，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况，如果使用 get()方法从缓冲区获取数据或者使用 put()方法把数据写入缓冲区，都会引起缓冲区状态的变化。 在缓冲区中，最重要的属性有下面三个，它们一起合作完成对缓冲区内部状态的变化跟踪：
1）position：指定下一个将要被写入或者读取的元素索引，它的值由 get()/put()方法自动更新，在新创建一个 Buffer 对象时，position 被初始化为 0。
2）limit：指定还有多少数据需要取出(在从缓冲区写入通道时)，或者还有多少空间可以放入数据(在从通道读入缓冲区时)。
3）capacity：指定了可以存储在缓冲区中的最大数据容量，实际上，它指定了底层数组的大小，或者至少是指定了准许我们使用的底层数组的容量。
以上三个属性值之间有一些相对大小的关系：0 <= position <= limit <= capacity。如果我们创建一个新的容量大小为20 的 ByteBuffer 对象，在初始化的时候，position 设置为 0，limit 和 capacity 被设置为 10，在以后使用 ByteBuffer对象过程中，capacity 的值不会再发生变化，而其它两个个将会随着使用而变化。
（2）通道 Channel
通道 Channel 就是数据传输用的通道，作用是打开到IO设备的连接、文件或套接字。
通道是一个对象，通过它可以读取和写入数据，当然了所有数据都通过 Buffer 对象来处理。不会将字节直接写入通道中，相反是将数据写入包含一个或者多个字节的缓冲区。同样不会直接从通道中读取字节，而是将数据从通道读入缓冲区，再从缓冲区获取这个字节。
在 NIO 中，提供了多种通道对象，而所有的通道对象都实现了 Channel 接口。
FileChannel、DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写；
ServerSocketChannel和SocketChannel 用于 TCP 的数据读写；
（3）Selector 选择器
能够检测多个注册的通道上是否有事件发生，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接。这样使得只有在连接真正有读写事件发生时，才会调用函数来进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程，并且避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。
NIO 中实现非阻塞 I/O 的核心对象就是 Selector，Selector 就是注册各种 I/O 事件的地方，而且当那些事件发生时，就是这个对象告诉我们所发生的事件，如下图所示：
从图中可以看出，当有读或写等任何注册的事件发生时，可以从 Selector 中获得相应的 SelectionKey，同时从 SelectionKey 中可以找到发生的事件和该事件所发生的具体的 SelectableChannel，以获得客户端发送过来的数据。
2、NIO 和 IO 的区别
面向目标不同
NIO 和传统 IO（一下简称IO）之间第一个最大的区别是，IO 是面向流的，NIO 是面向缓冲区的。 Java IO 面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO 的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，NIO 还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。
阻塞/非阻塞
IO 的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用 read() 或 write() 时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。
NIO 是非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其它通道上执行 IO 操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道。
二、NIO 的 API
1、Selector
Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，是非阻塞 IO 的核心。
public abstract class Selector implements Closeable { protected Selector() { } // 创建 Selector 实例 public static Selector open() throws IOException { return SelectorProvider.provider().openSelector(); } public abstract boolean isOpen(); public abstract SelectorProvider provider(); // key set 代表了所有注册在这个 Selector 上的 channel ，这个集合可以通过 keys() 方法拿到。 public abstract Set keys(); // Selected-key set 代表了所有通过 select() 方法监测到可以进行 IO 操作的 channel ，这个集合可以通过 selectedKeys() 拿到。 public abstract Set selectedKeys(); public abstract int selectNow() throws IOException; // 可以设置超时的 select() 操作。 public abstract int select(long timeout) throws IOException; // 监控所有注册的 channel ，当其中有注册的 IO 操作可以进行时，该函数返回，并将对应的 SelectionKey 加入 selected-key set 。 public abstract int select() throws IOException; // 使一个还未返回的 select() 操作立刻返回。 public abstract Selector wakeup(); public abstract void close() throws IOException; } 2、Buffer
Buffer 定义了一个可以线性存放 primitive type 数据的容器接口。 Buffer 主要包含了与类型（ byte, char… ）无关的功能。值得注意的是 Buffer 及其子类都不是线程安全的。
public abstract class Buffer { static final int SPLITERATOR_CHARACTERISTICS = Spliterator.SIZED | Spliterator.SUBSIZED | Spliterator.ORDERED; // Invariants: mark <= position <= limit <= capacity private int mark = -1; // 一个临时存放的位置下标。调用 mark() 会将 mark 设为当前的 position 的值，以后调用 reset() 会将 position 属性设置为 mark 的值。 mark 的值总是小于等于 position 的值，如果将 position 的值设的比 mark 小，当前的 mark 值会被抛弃掉。 private int position = 0; // 读 / 写操作的当前下标。当使用 buffer 的相对位置进行读 / 写操作时，读 / 写会从这个下标进行，并在操作完成后， buffer 会更新下标的值。 private int limit; // 在 Buffer 上进行的读写操作都不能越过这个下标。当写数据到 buffer 中时， limit 一般和 capacity 相等，当读数据时， limit 代表 buffer 中有效数据的长度。 private int capacity; // 这个 Buffer 最多能放多少数据。 capacity 一般在 buffer 被创建的时候指定 long address; Buffer(int mark, int pos, int lim, int cap) { // package-private if (cap <0) throw new IllegalArgumentException("Negative capacity: " + cap); this.capacity = cap; limit(lim); position(pos); if (mark >= 0) { if (mark > pos) throw new IllegalArgumentException("mark > position: (" + mark + " > " + pos + ")"); this.mark = mark; } } public final int capacity() { return capacity; } public final int position() { return position; } public final Buffer position(int newPosition) { if ((newPosition > limit) || (newPosition <0)) throw new IllegalArgumentException(); position = newPosition; if (mark > position) mark = -1; return this; } public final int limit() { return limit; } public final Buffer limit(int newLimit) { if ((newLimit > capacity) || (newLimit <0)) throw new IllegalArgumentException(); limit = newLimit; if (position > limit) position = limit; if (mark > limit) mark = -1; return this; } public final Buffer mark() { mark = position; return this; } // public final Buffer reset() { int m = mark; if (m <0) throw new InvalidMarkException(); position = m; return this; } // 把 position 设为 0 ，把 limit 设为 capacity ，一般在把数据写入 Buffer 前调用。 public final Buffer clear() { position = 0; limit = capacity; mark = -1; return this; } // 把 limit 设为当前 position ，把 position 设为 0 ，一般在从 Buffer 读出数据前调用。 public final Buffer flip() { limit = position; position = 0; mark = -1; return this; } // 把 position 设为 0 ， limit 不变，一般在把数据重写入 Buffer 前调用。 public final Buffer rewind() { position = 0; mark = -1; return this; } public final int remaining() { return limit - position; } public final boolean hasRemaining() { return position = limit) throw new BufferUnderflowException(); return position++; } final int nextGetIndex(int nb) { // package-private if (limit - position = limit) throw new BufferOverflowException(); return position++; } final int nextPutIndex(int nb) { // package-private if (limit - position = limit)) throw new IndexOutOfBoundsException(); return i; } final int checkIndex(int i, int nb) { // package-private if ((i <0) || (nb > limit - i)) throw new IndexOutOfBoundsException(); return i; } final int markValue() { // package-private return mark; } final void truncate() { // package-private mark = -1; position = 0; limit = 0; capacity = 0; } final void discardMark() { // package-private mark = -1; } static void checkBounds(int off, int len, int size) { // package-private if ((off | len | (off + len) | (size - (off + len))) <0) throw new IndexOutOfBoundsException(); } } Buffer子类（以下以ByteBuffer为例子）通用方法：
1）ByteBuffer(int N) ：构造方法，设定缓冲区大小为N个byte大小的空间 ；
2）byte[] get()：读取buffer中的所有数据；
3）void put(byte[])：数据写入buffer【功能和从channel中读取数据到buffer中一样】；
4）void filp()：切换模式（写模式->读模式）；
5）void rewind()：重读buffer中的数据（position重置为0）；
6）void clear()：清空。重置所有指针，不删除数据！！（position=0，limit=capacity，重新供写入）；
7）void compact()：半清空，保留仍未读取的数据。（position=最后一个未读单元之后的位置，limit=cap，重新供写入）；
8）mark()：标记时刻A的当前pos【与reset()一起用】 reset()：回到时刻A时标记的pos位置；
9）close()：关闭并释放channel对象。；
3、Package java.nio.channels
Channel 是一个可以进行 IO 操作的通道（比如，通过 FileChannel ，我们可以对文件进行读写操作）。 java.nio.channels 包含了文件系统和网络通讯相关的 channel 类。这个包通过 Selector 和SelectableChannel 这两个类，还定义了一个进行非阻塞（ non-blocking ） IO 操作的 API ，这对需要高性能 IO 的应用非常重要。
（1） java.nio.channels 中 interface 的关系：
1）Channel
Channel 表现了一个可以进行 IO 操作的通道，该 interface 定义了以下方法：
boolean isOpen() // 该 Channel 是否是打开的。 void close() // 关闭这个 Channel ，相关的资源会被释放。
2）ReadableByteChannel
定义了一个可从中读取 byte 数据的 channel interface 。
int read(ByteBuffer dst) // 从 channel 中读取 byte 数据并写到 ByteBuffer 中。返回读取的 byte 数。
3）WritableByteChannel
定义了一个可向其写 byte 数据的 channel interface 。
int write(ByteBuffer src) // 从 ByteBuffer 中读取 byte 数据并写到 channel 中。返回写出的 byte 数。
4）ByteChannel
ByteChannel 并没有定义新的方法，它的作用只是把 ReadableByteChannel 和 WritableByteChannel 合并在一起。
5）ScatteringByteChannel
继承了 ReadableByteChannel 并提供了同时往几个 ByteBuffer 中写数据的能力。
6）GatheringByteChannel
继承了 WritableByteChannel 并提供了同时从几个 ByteBuffer 中读数据的能力。
7）InterruptibleChannel
用来表现一个可以被异步关闭的 Channel 。
（2）java.nio.channels 中类的关系：
1）非阻塞 IO 的支持可以算是 NIO API 中最重要的功能，非阻塞 IO 允许应用程序同时监控多个 channel 以提高性能，这一功能是通过 Selector ， SelectableChannel 和 SelectionKey 这 3 个类来实现的。
2）SelectableChannel 抽象类是所有支持非阻塞 IO 操作的 channel （如 DatagramChannel 、 SocketChannel ）的父类。 SelectableChannel 可以注册到一个或多个 Selector 上以进行非阻塞 IO 操作。
3）SelectableChannel 可以是 blocking 和 non-blocking 模式（所有 channel 创建的时候都是 blocking 模式），只有 non-blocking 的 SelectableChannel 才可以参与非阻塞 IO 操作。
4）Selector 这个类通过 select() 函数，给应用程序提供了一个可以同时监控多个IO channel 的方法。
5）Channel 的相关实现类：FileChannel、SocketChannel与ServerSocketChannel、DatagramChannel，分别对应：“文件操作通道”、“TCP通信操作通道”、“UDP通信操作通道”。这几个实现类中，除了 FileChannel 不能进入非阻塞状态，其他实现类都可以进入非阻塞状态。
（3）SelectableChannel 接口
public abstract class SelectableChannel extends AbstractInterruptibleChannel implements Channel { protected SelectableChannel() { } public abstract SelectorProvider provider(); // 返回一个 bit mask ，表示这个 channel 上支持的 IO 操作。当前在 SelectionKey 中，用静态常量定义了 4 种 IO 操作的 bit 值： OP_ACCEPT ， OP_CONNECT ， OP_READ 和 OP_WRITE 。 public abstract int validOps(); // 该 channel 是否已注册在一个或多个 Selector 上 public abstract boolean isRegistered(); // 返回该 channe 在 Selector 上的注册关系所对应的 SelectionKey 。若无注册关系，返回 null 。 public abstract SelectionKey keyFor(Selector sel); // 多出来的 att 参数会作为 attachment 被存放在返回的 SelectionKey 中，这在需要存放一些 session state 的时候非常有用。 public abstract SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att) throws ClosedChannelException; // 将当前 channel 注册到一个 Selector 上并返回对应的 SelectionKey 。在这以后，通过调用 Selector 的 select() 函数就可以监控这个 channel 。 ops 这个参数是一个 bit mask ，代表了需要监控的 IO 操作。 public final SelectionKey register(Selector sel, int ops) throws ClosedChannelException { return register(sel, ops, null); } // 设置 blocking 模式 public abstract SelectableChannel configureBlocking(boolean block) throws IOException; // 返回是否为 blocking 模式 public abstract boolean isBlocking(); public abstract Object blockingLock(); } （4）Channel 通用方法：
int read(Buffer)：将数据从 channel 读取到 buffer 中【读channel，写buffer】；int read(Buffer[])：将数据从 channel 读取到 buffer 数组中；int write(Buffer)：将数据从 buffer 写入到 channel 中【读buffer，写channel】；int write(Buffer[])：将数据从 buffer 数组写入到 channel 中；
三、NIO 示例
1、TCP 通信 ―― SocketChannel
使用 NIO 开发一个入门案例，实现服务器端和客户端之间的数据通信（非阻塞）。
（1）客户端
public class NIOClient { public static void main(String[] args) throws Exception{ //得到一个网络通道 SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); //设置非阻塞 socketChannel.configureBlocking(false); //连接网络 InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("localhost",8081); //判断是否连接 if(!socketChannel.connect(address)){ while(!socketChannel.finishConnect()){ System.out.println("没有服务端进行连接"); } } //要发送的内容 String str = "hello NIO 服务端！"; // 将要转发的字符串内容转换成 Byte 类型 ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes()); //写入通道 socketChannel.write(byteBuffer); System.in.read(); } } （2）服务端
public class NIOServer { public static void main(String[] args) throws Exception{ //得到通道 ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); //得到selector对象 Selector selector = Selector.open(); //设置为非阻塞 serverSocketChannel.configureBlocking(false); //设置端口 serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8081)); //注册到selector对象上 serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); while(true){ //监控客户端 if(selector.select(200)==0){ System.out.println("没有服务端连接"); continue; } Iterator iterator = selector.selectedKeys().iterator(); while (iterator.hasNext()){ //获取所有的监听对象 SelectionKey selectionKey = iterator.next(); //连接客户端 if(selectionKey.isAcceptable()){ //得到通道 SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept(); socketChannel.configureBlocking(false); socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1023)); } //读取数据 if(selectionKey.isReadable()){ SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel(); ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) selectionKey.attachment(); socketChannel.read(buffer); System.out.printf("客户端发来的数据:%s%n", new String(buffer.array())); } //删除防止重复发送 iterator.remove(); } } } } 2、文件 IO ―― FileChannel
（1）读文件
public static byte[] readBytes(String fileName) { try { ///获取对应文件的FileChannel对象 RandomAccessFile accessFile = new RandomAccessFile(fileName, "rw"); FileChannel fileChannel = accessFile.getChannel(); /// 创建一个缓冲区（大小为48byte） ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(48); StringBuilder builder = new StringBuilder(); // 从文件向缓冲区写入数据 int bytesRead = fileChannel.read(byteBuffer); // 若读取到该通道数据的末尾，则返回-1 while (bytesRead != -1) { System.out.println("Read " + bytesRead); // 由向缓冲区写入数据转换成从缓冲区读取数据需要调用该方法 byteBuffer.flip(); ///每次读取完之后，输出缓存中的内容 while (byteBuffer.hasRemaining()) { System.out.println((char) byteBuffer.get()); builder.append((char) byteBuffer.get()); } // 然后清空缓存区 byteBuffer.clear(); // 重新再读数据到缓存区中 bytesRead = fileChannel.read(byteBuffer); } accessFile.close(); return builder.toString().getBytes(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); return null; } } （2）写文件
public static void writeBytes(String fileName, byte[] data) { try { RandomAccessFile accessFile = new RandomAccessFile(fileName, "rw"); FileChannel channel = accessFile.getChannel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48); buffer.put(data); channel.write(buffer); } catch (FileNotFoundException e) { e.printStackTrace(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } （3）通道间内容传输
/** * channel 间的传输 * * @param sFileName 源文件 * @param dFileName 目标文件 */ public static void channelToChannel(String sFileName, String dFileName) { try { RandomAccessFile sAccess = new RandomAccessFile(sFileName, "rw"); RandomAccessFile dAccess = new RandomAccessFile(dFileName, "rw"); FileChannel sChannel = sAccess.getChannel(); FileChannel dChannel = dAccess.getChannel(); long pos = 0; long sCount = sChannel.size(); long dCount = dChannel.size(); // dChannel.transferFrom(sChannel,pos,sCount);//dChannel 必须是FileChannel sChannel.transferTo(pos, dCount, dChannel);///sChannel 是FileChannel } catch (FileNotFoundException e) { e.printStackTrace(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } 3、UDP通信 ―― DatagramChannel
/** * 关于：DatagramChannel * UDP 无连接网络协议 * 发送和接收的是数据包 */ public static void datagramChannel() { DatagramChannel datagramChannel = null; try { ///打开 datagramChannel = DatagramChannel.open(); ///连接并开始监听UDP 9999端口 datagramChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999)); // 接收数据包（receive()方法会将接收到的数据包内容复制到指定的Buffer. 如果Buffer容不下收到的数据，多出的数据将被丢弃。 ） ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48); buf.clear(); datagramChannel.receive(buf); // 发送数据 send() String sendMsg = "要发送的数据"; ByteBuffer sendBuf = ByteBuffer.allocate(48); sendBuf.clear(); sendBuf.put(sendMsg.getBytes()); sendBuf.flip(); datagramChannel.send(sendBuf,new InetSocketAddress("xxxxx",80)); // TODO: 连接到特定的地址(锁住DatagramChannel ，让其只能从特定地址收发数据 因为UDP无连接，本身没有真正的连接产出) datagramChannel.connect(new InetSocketAddress("jenkov.com", 80)); ///连接后，也可以使用Channal 的read()和write()方法，就像在用传统的通道一样。只是在数据传送方面没有任何保证 } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } finally { if (datagramChannel != null) try { datagramChannel.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } 4、NIO 管道（Pipe）
NIO Pipe，是两个线程之间的单向连接通道（读下图可知）
整体原理：ThreadA 中获取的数据通过 SinkChannel 传入（写入）管道，当 ThreadB 要读取 ThreadA 的数据，则通过管道的 SourceChannel 传出（读取）数据。
Pipe 类内部有两个成员属性，分别是：
Pipe.SinkChannel：数据入口通道
Pipe.SourceChannel：数据出口通道
/** * 关于NIO管道（Pipe） * 定义：2个线程之间的单向数据连接 */ public static void aboutPipe(){ Pipe pipe=null; try { /// 打开管道 pipe = Pipe.open(); ///TODO: 一、 向管道写入数据 /// 访问Pipe.sinkChannel，向Pipe写入数据 /// 首先，获取Pipe.sinkChannel Pipe.SinkChannel sinkChannel = pipe.sink(); /// 然后，调用write()，开始写入数据 String newData = "New String to write to file..." + System.currentTimeMillis(); ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48); buf.clear(); buf.put(newData.getBytes()); buf.flip(); while(buf.hasRemaining()){ sinkChannel.write(buf); } // TODO: 二、读取管道中的数据 // 首先，获取Pipe.sourceChannel Pipe.SourceChannel sourceChannel = pipe.source(); /// 读取数据到buffer ByteBuffer buf2 = ByteBuffer.allocate(48); int bytesRead = sourceChannel.read(buf2); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } 总结
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