认识NIO

• 1 概述
• 2 宏观对比 BIO vs NIO
• 3 NIO核心组件
• 3.1 Buffer缓冲区详解
• 3.2 Channel通道
• 3.3 Selector选择器
• 4 实战代码
• 4.1 场景一：NIO实现文件拷贝
• 4.2 场景二：网络IO处理（示例暂缺）
• 5 为什么NIO更快？
• 5.1 Direct Memory（直接内存）
• 5.2 Zero Copy（零拷贝）
• 6 总结
• 6.1 何时用BIO何时用NIO
• 6.2 关于原生NIO

大家好，我是欧阳方超，公众号同名。

1 概述

NIO在Java1.4引入，它的出现是为了解决传统IO在高并发、大数据量传输时的性能瓶颈，注意，NIO中的N既有new之意也有non-blocking之意。

2 宏观对比 BIO vs NIO

面向缓冲区：BIO，传统IO以流为中心一次读写一个字节/字符，NIO以缓冲区为中心，可灵活处理缓冲区内的数据。
可非阻塞：特别适用于网络编程，线程可以同时处理多个连接，轮询多个连接，哪个数据就绪就处理哪个。注意，NIO支持阻塞和非阻塞两种模式，通道（如SocketChannel、ServerSocketChannel）都可以通过设置切换为阻塞或非阻塞模式。另外需要注意，FileChannel是阻塞的，无法设置为非阻塞的。

3 NIO核心组件

NIO的体系完全建立在三个概念之上：Buffer（缓冲区）、Channel（通道）、Selector（选择器）。

3.1 Buffer缓冲区详解

Buffer是数据的缓冲区或载体，在NIO中，不会直接把数据写入通道，也不会直接从通道读取数据，所有数据都必须经过Buffer。Buffer本质上是一个数组，外加一套复杂的指针变量来管理数据的读写位置。这三个指针变量是capacity（容量）、position（位置）、limit（限制），capacity表明数组的大小，position表明从哪个位置读写数据，limit表明还有多少数据可以读写。
Buffer缓冲区有个重大的动作：翻转，使用flip()方法实现该动作。
写模式：往Buffer里数据时，position会增加。
切换：当写完数据后，要把数据从Buffer读出来发给通道，必须调用flip()。
读模式：flip()会把limit设为刚才的position，把position归零。

3.2 Channel通道

Channel是数据的通道，并且是双向的，常用的Channel有如下类型：

• FileChannel：处理文件。
• SocketChannel/ServerSocketChannel：处理TCP网络
• DatagramChannel：处理UDP网络。
• Pipe：线程间单向管道。

3.3 Selector选择器

Selector是选择器，也叫多路复用器，它是NIO处理高并发的灵活，一个线程监听多个连接，适合高并发网络场景。
以餐馆服务员服务顾客为例，在传统IO模式下，一个服务员（线程）只盯着一张桌子，客人看菜单半小时，服务员就傻站半小时，如果有1000张桌子，老板就需要雇1000个服务员，系统直接崩溃。NIO模式下，一个服务员（Selector）站在大堂，谁点菜就举手示意服务员，服务员看到哪桌客人举手了就去处理哪一桌，这样一个线程就能管理成千上万个连接。
Selector实现了I/O多路复用（I/O Multiplexing），底层一般依赖操作系统的 epoll (Linux) 或 kqueue (Mac/BSD) 机制，效率极高。

4 实战代码

4.1 场景一：NIO实现文件拷贝

下面的示例实现了文件拷贝功能，展示了Channel与Buffer的结合使用。

package com.example.demo;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class NIOTtest {
    public static void main(String[] args) {
        try{
            //1.获取通道（即使是NIO，源头往往还是流）
            //FileChannel无法直接通过new创建，需要从流或RandomAccessFile中获取
            FileInputStream fis = new FileInputStream("/Users/mac/data.txt");
            File file = new File("/Users/mac/dest.txt");
            if (!file.exists()) {
                file.createNewFile();
            }
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);

            FileChannel inChannel = fis.getChannel();
            FileChannel outchannel = fos.getChannel();

            //2.分配缓冲区（列如直接分配1KB的非直接内存）
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            //3.循环读写
            while (true) {
                //clear()超级重大！
                //它重置position=0，limit=capacity
                //如果不清理，buffer满了之后，channel.read就读不进新数据，导致死循环
                buffer.clear();

                //从通道读数据到缓冲区
                int bytesReadx = inChannel.read(buffer);
                if (bytesReadx == -1) {
                    break; //读到末尾
                }

                //4.模式切换：准备把缓冲区的数据写出去
                buffer.flip();

                //5.将缓冲区数据写入输出通道
                outchannel.write(buffer);
            }

            //关闭资源
            inChannel.close();
            outchannel.close();
            fis.close();
            fos.close();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

注意，上面的示例中，在while循环中有个对缓冲区执行clear()的操作，这个操作必定要执行，它重置position=0，limit=capacity，如果不执行的话position可能会与limit相等，此时再往缓冲区读内容的话，可能会视为buffer中没有空间了，channel.read(buffer)会返回0，导致程序进入死循环。

4.2 场景二：网络IO处理（示例暂缺）

这里应该有一个基于nio实现网络io的示例，但是代码量会略大，为了不过多占用本文的篇幅，决定另写一篇文章专门介绍如何使用Selector实现一个线程监听多个连接（高并发网络场景）。

5 为什么NIO更快？

实则IO应该从文件IO和网络IO这两个方面进行分类（虽然在操作系统层面IO都是一样的），而NIO的快也应该从网络IO和文件IO两个方面进行解读，对于网络IO而言，Selector是提高效率的关键，但是对于文件IO而言,Selector是不适用的,但即便如此NIO中也确的确 实对文件IO的操作提速不少，主要体目前两个方面：Direct Memory（直接内存）、Zero Copy（零拷贝）。

5.1 Direct Memory（直接内存）

传统Java读取文件的流程，Java读取磁盘文件——>操作系统内核缓冲区——>复制——>Java堆内存（heap）。这里有一次CPU拷贝，发生在操作系统内核缓冲区与Java堆内存之间，且受GC影响。
NIO方式（ByteBuffer.allocateDirect）的流程，Java直接在堆外分配内存，这块内存直接映射到操作的IO缓冲区。少了一次拷贝，且不受GC搬运影响。

5.2 Zero Copy（零拷贝）

如果要把一个文件发送给网络，传统的Java IO是这样处理数据的，磁盘——>内核读缓冲区——>Java堆内存——>内核网络缓冲区——>网卡，其中内核读缓冲区——>Java堆内存涉及到一次CPU拷贝，Java堆内存——>内核网络缓冲区也涉及到一次CPU拷贝。
而NIO的FileChannel.transferTo()方法可以做到这样的数据传输路径，磁盘——>内核读缓冲区——>内核网络缓冲区——>网卡。看到没，数据根本不经过Java应用程序，CPU无需参与数据的搬运，全靠DMA（Direct Memory Access）硬件完成。

6 总结

6.1 何时用BIO何时用NIO

BIO，适用于连接数少、并发低、传输数据量大的场景（如简单的文件上传后台）。代码简单，调试容易。
NIO，适用于连接数多、连接时间短（轻操作）、高并发的场景（如聊天服务器、Web服务器、网关）。

6.2 关于原生NIO

NIO的原生API略微复杂，容易出现Bug，如著名的JDK Epoll空轮询Bug，导致CPU100%。所以更推荐的方案是这样的，如果是做文件操作，直接用JDK的NIO（FileChannel、Path、Files），如果是做网络编程，强烈不提议直接写原生NIO代码，请使用Netty框架，Netty封装了NIO的复杂性，解决了底层Bug，是目前Java网络编程的实际标准。
我是欧阳方超，把事情做好了自然就有兴趣了，如果你喜爱我的文章，欢迎点赞、转发、评论加关注。我们下次见。