NIO入门

IO和NIO的区别：

1. IO：通过流处理数据，仅支持阻塞IO。
   核心组件：InputStream /OutputStream用于字节的读写，Reader / Writer：用于字符流的读写。读取过程中无法被中断，是阻塞式IO。

2. NIO:通过管道处理数据，支持阻塞IO和非阻塞IO。
   核心组件：Channel通道、Buffer缓冲区、Selector选择器。Channel与Buffer做直接交互，用于数据的传输，支持非阻塞IO，Buffer用于存放数据，Selector用于管理多个管道，允许单个线程处理多个IO。

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NIO三大核心组件

NIO由三大核心组件分别是：Channel管道、Buffer缓冲区、Selector选择器。

Channel

• 作用：替代传统I/O中的流（Stream），支持双向数据传输（读/写），直接与缓冲区（Buffer）交互。

• 特点：

  • 非阻塞模式（可通过configureBlocking(false)设置）。

  • 操作基于缓冲区，效率更高。

• 常见实现类：

  • FileChannel：文件I/O。

  • SocketChannel / ServerSocketChannel：TCP网络通信。

  • DatagramChannel：UDP网络通信。

Buffer

• 作用：临时存储数据的容器，是Channel读写数据的直接目标。

• 核心属性：

  • capacity：最大容量。

  • position：当前操作位置。

  • limit：可操作数据的上限。

  • mark：标记位置（用于reset()）。

• 常见类型：

  • ByteBuffer（最常用）、CharBuffer、IntBuffer等。

• 关键操作：

  • put()/get()：读写数据。

  • flip()：切换为读模式。

  • clear()/compact()：清空或压缩缓冲区。

Selector

• 作用：监听多个Channel的事件（如连接就绪、读就绪、写就绪），实现单线程管理多通道的高并发I/O。

• 核心机制：

  • 基于事件驱动的SelectionKey（包含事件类型和对应的Channel）。

  • 底层依赖操作系统的epoll（Linux）或kqueue（Mac）等系统调用。

• 使用步骤：

  1. 创建Selector：Selector.open()。

  2. 将Channel注册到Selector，指定监听事件（如SelectionKey.OP_READ）。

  3. 调用select()方法阻塞等待就绪事件。

  4. 通过selectedKeys()处理就绪的Channel。

 Selector 的 4 种监听事件

事件	说明	适用 Channel
SelectionKey.OP_ACCEPT	服务端接收新连接	ServerSocketChannel
SelectionKey.OP_CONNECT	客户端连接完成	SocketChannel
SelectionKey.OP_READ	数据可读	SocketChannel / DatagramChannel
SelectionKey.OP_WRITE	数据可写	SocketChannel / DatagramChannel

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Channel与Buffer联调

阻塞IO案例

ServerSocketChannel.accept()：该方法用于等待客户端连接，直到有客户端连接才会返回，如果没有客户端连接则会一直阻塞。

SocketChannel.read(ByteBuffer)：改方法用于接收客户端的数据，直到有数据才会返回，否则将一直阻塞线程。

    package com.jiawa.netty.server;import org.slf4j.Logger;import org.slf4j.LoggerFactory;import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.ServerSocketChannel;import java.nio.channels.SocketChannel;import java.util.List;import static com.jiawa.netty.utils.ByteBufferUtil.debugAll;public class Server {private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(Server.class);public static void main(String[] args) throws IOException {//创建缓存、缓存客户端信息ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);//创建服务器ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();//绑定端口server.bind(new InetSocketAddress(8080));//创建客户端存储集合List<SocketChannel> clients = new java.util.ArrayList<>();//接收客户端while (true) {//阻塞线程，直到有客户端请求连接后释放SocketChannel client = server.accept();//如果有客户端请求，则返回客户端信息logger.info("收到客户端请求:{}", client);clients.add(client);for (SocketChannel c : clients) {//读取客户端数据int read = c.read(buffer);if (read > 0) {logger.info("读取客户端数据:{}", read);//打开读buffer.flip();//打印数据debugAll(buffer);//清空buffer.clear();}}}}}

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非阻塞IO案例

server.configureBlocking(false)：将 ServerSocketChannel 设置为非阻塞模式。

client.configureBlocking(false)：将每个 SocketChannel 设置为非阻塞模式。

设置为非阻塞之后，则不会阻塞线程，不管是否有客户端连接或者接收客户端数据，都会直接返回，不会阻塞线程。

package com.jiawa.netty.server;import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.List;import static com.jiawa.netty.utils.ByteBufferUtil.debugAll;public class Server {private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(Server.class);public static void main(String[] args) throws IOException {//创建缓存、缓存客户端信息ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);//创建服务器ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();//非阻塞if (server!= null){server.configureBlocking(false);}//绑定端口server.bind(new InetSocketAddress(8080));//创建客户端存储集合List<SocketChannel> clients = new java.util.ArrayList<>();//接收客户端while (true) {//阻塞线程，直到有客户端请求连接后释放SocketChannel client = server.accept();//将客户端设置为非阻塞if (client != null) {client.configureBlocking(false);}//如果有客户端请求，则返回客户端信息if (client != null) {logger.info("收到客户端请求:{}", client);clients.add(client);}for (SocketChannel c : clients) {//读取客户端数据int read = c.read(buffer);if (read > 0){logger.info("读取客户端数据:{}", read);//打开读buffer.flip();//打印数据debugAll(buffer);//清空buffer.clear();}}}}
}

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Channel、Buffer、Selector案例

package com.example.demo.server;import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;public class NioServer {public static void main(String[] args) throws IOException {// 创建一个Selector对象，用于管理多个通道的事件Selector selector = Selector.open();// 创建一个ServerSocketChannel对象，用于监听客户端连接请求ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();// 绑定服务器套接字到本地地址和端口8080serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));// 设置ServerSocketChannel为非阻塞模式serverSocketChannel.configureBlocking(false);// 将ServerSocketChannel注册到Selector上，并监听ACCEPT事件serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);System.out.println("服务器启动，等待客户端连接...");// 无限循环，持续处理客户端连接和数据读取while (true) {// 阻塞等待感兴趣的事件发生（如新的连接或可读的数据）int readyChannels = selector.select();// 如果没有准备好的通道，则继续下一次循环if (readyChannels == 0) continue;// 获取所有准备就绪的SelectionKey迭代器Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();// 遍历所有准备就绪的SelectionKeywhile (keyIterator.hasNext()) {SelectionKey key = keyIterator.next();// 检查是否是新的连接请求if (key.isAcceptable()) {// 处理新的连接请求ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();// 接受新的客户端连接SocketChannel sc = ssc.accept();// 设置新连接的SocketChannel为非阻塞模式sc.configureBlocking(false);// 将新连接的SocketChannel注册到Selector上，并监听READ事件sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);System.out.println("新的客户端已连接"); // 打印连接信息} else if (key.isReadable()) {// 处理可读事件SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();// 分配一个新的ByteBuffer，大小为1024字节ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 从SocketChannel读取数据到ByteBuffer中int bytesRead = sc.read(buffer);// 如果读取到-1，表示客户端断开连接if (bytesRead == -1) {sc.close(); // 关闭SocketChannelSystem.out.println("客户端断开连接"); // 打印断开信息} else {// 切换ByteBuffer到读模式buffer.flip();// 读取ByteBuffer中的数据到byte数组byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];buffer.get(bytes);// 将byte数组转换为字符串String message = new String(bytes);System.out.println("收到消息: " + message); // 打印接收到的消息}}// 移除已经处理过的SelectionKeykeyIterator.remove();}}}
}

Channel常用方法：

1. 通用方法（所有Channel实现类共有）

方法	说明
boolean isOpen()	判断通道是否处于打开状态。
void close()	关闭通道，释放资源（必须显式调用，否则可能泄漏资源）。
boolean isConnected()	（仅Socket相关Channel）检查通道是否已连接。

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2. 可读/可写操作

方法	说明
int read(ByteBuffer dst)	从通道读取数据到缓冲区，返回实际读取的字节数（非阻塞模式下可能返回0）。
int write(ByteBuffer src)	将缓冲区数据写入通道，返回实际写入的字节数（非阻塞模式下可能返回0）。

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3. 非阻塞模式控制

方法	说明
void configureBlocking(boolean block)	设置通道是否为阻塞模式（true为阻塞，false为非阻塞）。
boolean isBlocking()	检查通道当前是否为阻塞模式。

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4. 网络Channel特有方法（SocketChannel/ServerSocketChannel）

方法	说明
SocketChannel bind(SocketAddress local)	绑定通道到本地地址（用于服务端）。
SocketAddress getLocalAddress()	获取绑定的本地地址。
SocketChannel connect(SocketAddress remote)	连接到远程地址（客户端）。
boolean finishConnect()	完成非阻塞连接（需配合connect()使用）。
SocketChannel accept()	（仅ServerSocketChannel）接受客户端连接，返回一个新的SocketChannel。

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5. FileChannel特有方法

方法	说明
long position()	获取当前文件指针位置。
FileChannel position(long newPosition)	设置文件指针位置。
long size()	返回文件大小。
FileChannel truncate(long size)	截断文件到指定大小。
int read(ByteBuffer dst, long position)	从文件指定位置读取数据（不移动指针）。
int write(ByteBuffer src, long position)	向文件指定位置写入数据（不移动指针）。
long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)	将数据从文件通道直接传输到目标通道（零拷贝优化）。
long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)	从源通道直接接收数据到文件通道（零拷贝优化）。
void force(boolean metaData)	强制将数据刷到磁盘（确保写入持久化）。

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6. DatagramChannel特有方法（UDP）

方法	说明
DatagramChannel bind(SocketAddress local)	绑定到本地端口。
SocketAddress receive(ByteBuffer dst)	接收UDP数据包，返回发送方地址。
int send(ByteBuffer src, SocketAddress target)	发送UDP数据包到目标地址。

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Buffer常用方法

1. 核心属性相关方法

方法	作用	说明
int capacity()	返回缓冲区容量	创建后不可变
int position()	返回当前操作位置	下一个读写操作的索引
Buffer position(int newPosition)	设置当前位置	需满足 0 ≤ position ≤ limit
int limit()	返回可操作数据上限	缓冲区有效数据边界
Buffer limit(int newLimit)	设置新的上限	需满足 0 ≤ limit ≤ capacity
Buffer mark()	标记当前位置	配合reset()回溯
Buffer reset()	恢复到标记位置	未调用mark()会抛异常

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2. 模式切换方法

方法	作用	说明
Buffer flip()	写模式 → 读模式	将limit设为当前position，position归零
Buffer clear()	读模式 → 写模式	position=0, limit=capacity（不清空数据）
Buffer rewind()	重置为读模式起点	position=0，limit不变（重复读）
boolean hasRemaining()	检查剩余可操作数据	return position < limit
int remaining()	返回剩余可操作数据量	return limit - position

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3. 数据读写方法

通用方法（所有Buffer子类）

方法	作用
T get()	读取当前位置的数据并移动position
Buffer put(T value)	写入数据到当前位置并移动position
T get(int index)	读取指定位置数据（不移动position）
Buffer put(int index, T value)	写入数据到指定位置（不移动position）

ByteBuffer特有方法

方法	作用
byte[] array()	返回底层字节数组（仅非直接缓冲区有效）
ByteBuffer put(byte[] src)	批量写入字节数组
ByteBuffer get(byte[] dst)	批量读取到字节数组
ByteBuffer slice()	创建共享底层数据的新缓冲区（切片）
ByteBuffer duplicate()	创建完全独立的副本缓冲区

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4. 压缩与填充

方法	作用	典型场景
Buffer compact()	压缩缓冲区	将未读数据移到起始位置，position指向剩余空间
Buffer fill(byte value)	（非标准API，需自行实现）	填充固定值到缓冲区

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5. 直接缓冲区控制（ByteBuffer特有）

方法	作用
static ByteBuffer allocateDirect(int capacity)	创建直接缓冲区（堆外内存）
boolean isDirect()	判断是否为直接缓冲区

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Selector 的常用方法

（1）Selector 的创建与关闭

方法	说明
Selector.open()	创建 Selector
boolean isOpen()	检查 Selector 是否打开
void close()	关闭 Selector（释放资源）

（2）Channel 的注册与注销

方法	说明
channel.register(selector, ops)	注册 Channel 到 Selector，并指定监听事件
key.cancel()	取消 Channel 的注册（不会立即注销，需调用 select() 后生效）

（3）事件监听

方法	说明
int select()	阻塞等待至少一个事件就绪（返回就绪的 Channel 数量）
int select(long timeout)	带超时的阻塞等待
int selectNow()	非阻塞检查（立即返回）
Set<SelectionKey> selectedKeys()	获取所有就绪的事件（需手动处理并移除）
Set<SelectionKey> keys()	获取所有已注册的 Channel（包括未就绪的）