NIO实践与原理

Java NIO是 Java 1.4 引入的一组新的 I/O API，相较于传统的 Java IO（即 BIO，Blocking I/O），它提供了更高效、非阻塞的 I/O 操作方式。它的核心思想是面向缓冲区和非阻塞，结合 Selector 实现高效的事件驱动模型，更适合用于高并发、高性能的网络编程场景，例如服务器端通信、文件传输等。

Java NIO 的核心组件

Channel（通道）
Buffer（缓冲区）
Selector（选择器）

Channel（通道）

Channel 是对传统 IO 流的改进，可以同时进行读写操作。 Channel 是双向的，可以读和写，并且支持异步读/写。它必须从 Buffer 读取或写入数据。Channel 可以通过 configureBlocking(false) 方法配置为非阻塞模式。常见的Channel类型:

FileChannel：用于文件读写。它只能在阻塞模式下运行，其他 3 个 Channel 都可以配置成非阻塞模式。
SocketChannel：用于 TCP 客户端通信。
ServerSocketChannel：用于 TCP 服务端监听连接。
DatagramChannel：用于 UDP 通信。

1
2
3

// 示例：打开一个 FileChannel
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("file.txt", "rw");
FileChannel channel = file.getChannel();

Buffer（缓冲区）

Buffer 是一个容器对象，本质上是一块内存，内部实现是一个数组，用于向 Channel 写入和读取数据。

Buffer 的几个关键属性：
- capacity：容量，最大存储数据量。
- position：当前位置，下一次读写的位置。
- limit：限制，表示可操作的数据长度。
- mark：标记位置，可用于重置 position。
Buffer 的常用方法：
- flip()：切换为读模式（将 limit 设置为当前 position，position 设置为 0）。
- clear()：清空 buffer，准备重新写入。
- rewind()：重置 position 为 0，重新读取 buffer 中的数据。

Buffer使用示例

// 创建一个 1024 字节的缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); 
// 写入数据
buffer.put("Hello, NIO!".getBytes()); 
// 切换到读模式
buffer.flip(); 
while (buffer.hasRemaining()) {
  System.out.print((char) buffer.get());
}

Buffer源码

// Invariants: mark <= position <= limit <= capacity  
private int mark = -1;  
private int position = 0;  
private int limit;  
private int capacity;  
  
// Used only by direct buffers  
// NOTE: hoisted here for speed in JNI GetDirectBufferAddress  
long address;

public byte get() {
  return hb[ix(nextGetIndex())];
}

// 切换为读模式
public final Buffer flip() {  
  limit = position;  
  position = 0;  
  mark = -1;  
  return this;  
}

// 切换为写模式
public final Buffer clear() {  
  position = 0;  
  limit = capacity;  
  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;  
}

public final Buffer rewind() {  
  position = 0;  
  mark = -1;  
  return this;  
}

// 清空
final void truncate() {                           
  position = 0;  
  limit = 0;  
  capacity = 0;  
  mark = -1;  
}

rewind ()方法主要是调整了缓冲区的position属性与mark属性。 mark() + reset() 实现相同功能，rewind()方法与flip()方法很相似，区别在于倒带方法rewind()不会影响limit属性值，而翻转方法flip()会重设limit属性值。

Selector(选择器)

这Selector是用来实现多路复用 I/O，它可以监听多个 Channel 是否有事件就绪（如连接、读、写）。这样就可以通过一个线程管理多个 Channel，从而管理多个网络连接。

通过 Selector 注册通道的事件，Selector 会不断地轮询注册在其上的 Channel。当事件发生时，比如：某个 Channel 上面有新的 TCP 连接接入、读和写事件，这个 Channel 就处于就绪状态，会被 Selector 轮询出来。Selector 会将相关的 Channel 加入到就绪集合中。通过 SelectionKey 可以获取就绪 Channel 的集合，然后对这些就绪的 Channel 进行相应的 I/O 操作。

一个多路复用器 Selector 可以同时轮询多个 Channel，由于 JDK 使用了 epoll() 代替传统的 select 实现，所以它并没有最大连接句柄 1024/2048 的限制。这也就意味着只需要一个线程负责 Selector 的轮询，就可以接入成千上万的客户端。

Selector 可以监听以下四种事件类型：

SelectionKey.OP_ACCEPT：表示通道接受连接的事件，这通常用于 ServerSocketChannel。
SelectionKey.OP_CONNECT：表示通道完成连接的事件，这通常用于 SocketChannel。
SelectionKey.OP_READ：表示通道准备好进行读取的事件，即有数据可读。
SelectionKey.OP_WRITE：表示通道准备好进行写入的事件，即可以写入数据。

一个 Selector 实例有三个 SelectionKey 集合：

所有的 SelectionKey 集合：代表了注册在该 Selector 上的 Channel，这个集合可以通过 keys() 方法返回。
被选择的 SelectionKey 集合：代表了所有可通过 select() 方法获取的、需要进行 IO 处理的 Channel，这个集合可以通过 selectedKeys() 返回。
被取消的 SelectionKey 集合：代表了所有被取消注册关系的 Channel，在下一次执行 select() 方法时，这些 Channel 对应的 SelectionKey 会被彻底删除，程序通常无须直接访问该集合，也没有暴露访问的方法。

核心方法

register(Selector sel, int ops)：Channel 的方法，用于注册 Channel 到 Selector，让 Selector 多路复用地监听 Channel 上感兴趣的事件。第二个参数可以是上面 4 种类型的事件中的一种或几种。SelectionKey：注册后返回的选择键，表示 Channel 在 Selector 上的注册信息，当中包含这些方法：
- interestOps()：监听事件的集合
- readyOps()：当前收到的事件集合
- channel()：被注册的通道
- selector()：注册到的选择器
- attachment()：附加的一个对象（可选）。在 Reactor 模式中，会把 Acceptor 添加到 Selector 中，Acceptor 是用于处理客户端连接的组件，attach 到 Selector 上之后就可以在客户端连接事件到达时取出 Acceptor，处理客户端连接。
select() ：阻塞当前线程，直到至少有一个 Channel 在这个 Selector 上注册的事件就绪。返回当前就绪的 Channel 的数量。
selectedKeys()：返回已经就绪的通道的选择键，通常在 select() 方法之后调用，获取就绪的 SelectionKey，然后遍历它们处理 IO 事件。可以通过 selectedKeys().iterator().next().channel() 方法遍历和访问这些通道。

StandardSocketOptions

SO_KEEPALIVE: 设置长连接
SO_BACKLOG: 设置等待连接队列的最大长度
SO_SNDBUF: 设置发送缓冲区的大小
SO_RCVBUF: 设置接收缓冲区的大小
SO_REUSEADDR/SO_REUSEPORT: 允许重用本地地址和端口（通常用于快速重启服务器）
SO_LINGER：当启用了 SO_LINGER 并设置了非零的 linger 时间（以秒为单位），套接字在调用 close() 后不会立即返回。套接字会尝试将所有排队的数据发送出去。如果在这段时间内未能成功发送所有数据，则强制关闭套接字，并丢弃剩余的数据。如果在这段时间内成功发送了所有数据，则正常关闭套接字。当禁用了 SO_LINGER 或设置了 linger 时间为零，套接字在调用 close() 后会立即返回。任何排队的数据都会被丢弃，可能导致数据丢失。
TCP_NODELAY: 禁用 Nagle 算法，确保数据立即发送而不是合并成更大的数据包
IP_TOS: 设置 IP 数据报头中的服务类型字段（Type of Service）
IP_MULTICAST_IF
IP_MULTICAST_TTL
IP_MULTICAST_LOOP

示例

public class SimpleNIOServer {
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
    serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
    serverSocketChannel.configureBlocking(false);

    while (true) {
      SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
      if (socketChannel != null) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        int bytesRead = socketChannel.read(buffer);
        while (bytesRead != -1) {
          buffer.flip();
          while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get());
          }
          buffer.clear();
          bytesRead = socketChannel.read(buffer);
        }
      }
    }
  }
}

网络编程

#网络编程

NIO实践与原理

http://example.com/2025/06/14/network-NIO实践与原理/

作者

ares

发布于

2025年6月14日

许可协议

reactor模型原理与实现上一篇

IO模型下一篇