NIO入门教程

NIO

一．多线程编程

1.1 基本知识回顾

线程是比进程更小的能独立运行的基本单位，它是进程的一部分，一个进程可以拥有多

个线程，但至少要有一个线程，即主执行线程(Java 的 main 方法)。我们既可以编写单线程应用，也可以编写多线程应用。

一个进程中的多个线程可以并发(同时)执行，在一些执行时间长、需要等待的任务上（例

如：文件读写和网络传输等），多线程就比较有用了。

怎么理解多线程呢？来两个例子：

1. 进程就是一个工厂，一个线程就是工厂中的一条生产线，一个工厂至少有一条生产

线，只有一条生产线就是单线程应用，拥有多条生产线就是多线程应用。多条生产线可

以同时运行。

2. 我们使用迅雷可以同时下载多个视频，迅雷就是进程，多个下载任务就是线程，这

几个线程可以同时运行去下载视频。

多线程可以共享内存、充分利用 CPU，通过提高资源(内存和 CPU)使用率从而提高程序

的执行效率。CPU 使用抢占式调度模式在多个线程间进行着随机的高速的切换。对于 CPU

的一个核而言，某个时刻，只能执行一个线程，而 CPU 在多个线程间的切换速度相对我们

的感觉要快很多，看上去就像是多个线程或任务在同时运行。

Java 天生就支持多线程并提供了两种编程方式，一个是继承 Thread 类，一个是实现

Runnable 接口，接下来咱们通过两个案例快速复习回顾一下。

方式一：继承Thread

方式二：实现Runnable

多线程会产生安全问题，，所以用加锁的方式（同步代码块和同步方法），比较形象的生产者消费者模式

二．BIO 编程

BIO 有的称之为 basic(基本) IO,有的称之为 block(阻塞) IO，主要应用于文件 IO 和网络 IO，

这里不再说文件 IO, 大家对此都非常熟悉，本次课程主要讲解网络 IO。

在 JDK1.4 之前，我们建立网络连接的时候只能采用 BIO，需要先在服务端启动一个

ServerSocket，然后在客户端启动 Socket 来对服务端进行通信，默认情况下服务端需要对每

个请求建立一个线程等待请求，而客户端发送请求后，先咨询服务端是否有线程响应，如果没有则会一直等待或者遭到拒绝，如果有的话，客户端线程会等待请求结束后才继续执行，这就是阻塞式 IO。具体代码就不讲了，在java基础中有详细介绍。

三．NIO 编程

3.1 概述

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都在java.nio包下。

NIO 和 BIO 有着相同的目的和作用，但是它们的实现方式完全不同，BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据,块 I/O 的效率比流 I/O 高很多。另外，NIO 是非阻塞式的，这一点跟 BIO 也很不相同，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。

NIO 主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector(选择器)。传统的 BIO

基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel(通道)和 Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从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），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道。

3.2 文件 IO

3.2.1 概述和核心 API

缓冲区（Buffer）：实际上是一个容器，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。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，Buffer 是一个顶层父类，它是一个抽象类，常用的 Buffer 子类有：

l ByteBuffer，存储字节数据到缓冲区

l ShortBuffer，存储字符串数据到缓冲区

l CharBuffer，存储字符数据到缓冲区

l IntBuffer，存储整数数据到缓冲区

l LongBuffer，存储长整型数据到缓冲区

l DoubleBuffer，存储小数到缓冲区

l FloatBuffer，存储小数到缓冲区

对于 Java 中的基本数据类型，都有一个 Buffer 类型与之相对应，最常用的自然是

ByteBuffer 类（二进制数据），该类的主要方法如下所示：

l public abstract ByteBuffer put(byte[] b); 存储字节数据到缓冲区

l public abstract byte[] get(); 从缓冲区获得字节数据

l public final byte[] array(); 把缓冲区数据转换成字节数组

l public static ByteBuffer allocate(int capacity); 设置缓冲区的初始容量

l public static ByteBuffer wrap(byte[] array); 把一个现成的数组放到缓冲区中使用

l public final Buffer flip(); 翻转缓冲区，重置位置到初始位置

通道（Channel）：类似于 BIO 中的 stream，例如 FileInputStream 对象，用来建立到目标（文件，网络套接字，硬件设备等）的一个连接，但是需要注意：BIO 中的 stream 是单向的，例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作，而 NIO 中的通道(Channel)是双向的，既可以用来进行读操作，也可以用来进行写操作。常用的 Channel 类有：FileChannel、 DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。FileChannel 用于文件的数据读写， DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写，ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。

这里我们先讲解 FileChannel 类，该类主要用来对本地文件进行 IO 操作，主要方法如下所示：

l public int read(ByteBuffer dst) ，从通道读取数据并放到缓冲区中

l public int write(ByteBuffer src) ，把缓冲区的数据写到通道中

l public long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)，从目标通道

中复制数据到当前通道

l public long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)，把数据从当

前通道复制给目标通道

3.2.2 案例

接下来我们通过 NIO 实现几个案例，分别演示一下本地文件的读、写和复制操作，并

和 BIO 做个对比。

1. 往本地文件中写数据

@Test

public void test1() throws Exception{

String str="hello,nio,我是zy";

FileOutputStream fos=new FileOutputStream("basic.txt");

FileChannel fc=fos.getChannel();

ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);

buffer.put(str.getBytes());

buffer.flip();

fc.write(buffer);

fos.close();

}NIO 中的通道是从输出流对象里通过 getChannel 方法获取到的，该通道是双向的，既可

以读，又可以写。在往通道里写数据之前，必须通过 put 方法把数据存到 ByteBuffer 中，然后通过通道的 write 方法写数据。在 write 之前，需要调用 flip 方法翻转缓冲区，把内部重置到初始位置，这样在接下来写数据时才能把所有数据写到通道里。运行效果如下图所示：

2. 从本地文件中读数据

@Test

public void test2() throws Exception{

File file=new File("basic.txt");

FileInputStream fis=new FileInputStream(file);

FileChannel fc=fis.getChannel();

ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate((int)file.length());

fc.read(buffer);

System.out.print(new String(buffer.array()));

fis.close();

}

@Test

public void test1() throws Exception{

String str="hello,nio,我是博学谷";

FileOutputStream fos=new FileOutputStream("basic.txt");

FileChannel fc=fos.getChannel();

ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);

buffer.put(str.getBytes());

buffer.flip();

fc.write(buffer);

fos.close();

}

NIO 中的通道是从输出流对象里通过 getChannel 方法获取到的，该通道是双向的，既可

以读，又可以写。在往通道里写数据之前，必须通过 put 方法把数据存到 ByteBuffer 中，然

后通过通道的 write 方法写数据。在 write 之前，需要调用 flip 方法翻转缓冲区，把内部重置

到初始位置，这样在接下来写数据时才能把所有数据写到通道里。运行效果如下图所示：

2. 从本地文件中读数据

@Test

public void test2() throws Exception{

File file=new File("basic.txt");

FileInputStream fis=new FileInputStream(file);

FileChannel fc=fis.getChannel();

ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate((int)file.length());

fc.read(buffer);

System.out.print(new String(buffer.array()));

fis.close();

}

上述代码从输入流中获得一个通道，然后提供 ByteBuffer 缓冲区，该缓冲区的初始容量

和文件的大小一样，最后通过通道的 read 方法把数据读取出来并存储到了 ByteBuffer 中。

3. 复制文件

通过 BIO 复制一个视频文件，代码如下所示：

FileInputStream fis=new FileInputStream("C:\\Users\\zdx\\Desktop\\oracle.mov");

FileOutputStream fos=new FileOutputStream("d:\\oracle.mov");

byte[] b=new byte[1024];

while (true) {

int res=fis.read(b);

if(res==-1){

break;

}

fos.write(b,0,res);

}

fis.close();

fos.close();

上述代码分别通过输入流和输出流实现了文件的复制，这是通过传统的 BIO 实现的，大

家都比较熟悉，不再多说。

通过 NIO 复制相同的视频文件，代码如下所示：

@Test

public void test4() throws Exception{

FileInputStream fis=new FileInputStream("C:\\Users\\zdx\\Desktop\\oracle.mov");

FileOutputStream fos=new FileOutputStream("d:\\oracle.mov");

FileChannel sourceCh = fis.getChannel();

FileChannel destCh = fos.getChannel();

destCh.transferFrom(sourceCh, 0, sourceCh.size());

sourceCh.close();

destCh.close();

}

上述代码分别从两个流中得到两个通道，sourceCh 负责读数据，destCh 负责写数据，然

后直接调用 transferFrom 方法一步到位实现了文件复制。

3.3 网络 IO

3.3.1 概述和核心 API

前面在进行文件 IO 时用到的 FileChannel 并不支持非阻塞操作，学习 NIO 主要就是进行

网络 IO，Java NIO 中的网络通道是非阻塞 IO 的实现，基于事件驱动，非常适用于服务器需

要维持大量连接，但是数据交换量不大的情况，例如一些即时通信的服务等等....

在 Java 中编写 Socket 服务器，通常有以下几种模式：

一个客户端连接用一个线程，优点：程序编写简单；缺点：如果连接非常多，分配的线

程也会非常多，服务器可能会因为资源耗尽而崩溃。

把每一个客户端连接交给一个拥有固定数量线程的连接池，优点：程序编写相对简单，

可以处理大量的连接。确定：线程的开销非常大，连接如果非常多，排队现象会比较严

使用 Java 的 NIO用非阻塞的 IO 方式处理。这种模式可以用一个线程，处理大量的客

户端连接。

1. 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。

该类的常用方法如下所示：

l public static Selector open()，得到一个选择器对象

l public int select(long timeout)，监控所有注册的通道，当其中有 IO 操作可以进行时，将对应的 SelectionKey 加入到内部集合中并返回，参数用来设置超时时间

l public Set<SelectionKey> selectedKeys()，从内部集合中得到所有的 SelectionKey

2. SelectionKey，代表了 Selector 和网络通道的注册关系,一共四种：

l int OP_ACCEPT：有新的网络连接可以 accept，值为 16

l int OP_CONNECT：代表连接已经建立，值为 8

l int OP_READ 和 int OP_WRITE：代表了读、写操作，值为 1 和 4

该类的常用方法如下所示：

l public abstract Selector selector()，得到与之关联的 Selector 对象

l public abstract SelectableChannel channel()，得到与之关联的通道

l public final Object attachment()，得到与之关联的共享数据

l public abstract SelectionKey interestOps(int ops)，设置或改变监听事件

l public final boolean isAcceptable()，是否可以 accept

l public final boolean isReadable()，是否可以读

l public final boolean isWritable()，是否可以写

3. ServerSocketChannel，用来在服务器端监听新的客户端 Socket 连接，常用方法如下所示：

l public static ServerSocketChannel open()，得到一个 ServerSocketChannel 通道

l public final ServerSocketChannel bind(SocketAddress local)，设置服务器端端口号

l public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block)，设置阻塞或非阻塞式，

取值 false 表示采用非阻塞模式

l public SocketChannel accept()，接受一个连接，返回代表这个连接的通道对象

l public final SelectionKey register(Selector sel, int ops)，注册一个选择器并设置监听事件

4. SocketChannel，网络 IO 通道，具体负责进行读写操作。NIO 总是把缓冲区的数据写入通道，或者把通道里的数据读到缓冲区。常用方法如下所示：

l public static SocketChannel open()，得到一个 SocketChannel 通道

l public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block)，设置阻塞或非阻塞模式，取值 false 表示采用非阻塞模式

l public boolean connect(SocketAddress remote)，连接服务器

l public boolean finishConnect()，如果上面的方法连接失败，接下来就要通过该方法完成

连接操作

l public int write(ByteBuffer src)，往通道里写数据

l public int read(ByteBuffer dst)，从通道里读数据

l public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)，注册一个选择器并设置

监听事件，最后一个参数可以设置共享数据

l public final void close() 关闭通道

3.3.2 入门案例

API 学习完毕后，接下来我们使用 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）。

//网络服务器端程序

public class NIOServer {

public static void main(String[] args) throws Exception{

//1. 得到一个 ServerSocketChannel 对象老大

ServerSocketChannel serverSocketChannel=ServerSocketChannel.open();

//2. 得到一个 Selector 对象

间谍

Selector selector=Selector.open();

//3. 绑定一个端口号

serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));

//4. 设置非阻塞方式

serverSocketChannel.configureBlocking(false);

//5. 把 ServerSocketChannel 对象注册给 Selector 对象

serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

//6. 干活

while(true){

//6.1 监控客户端

if(selector.select(2000)==0){ //nio 非阻塞式的优势

System.out.println("Server:没有客户端搭理我，我就干点别的事");

continue;

}

//6.2 得到 SelectionKey,判断通道里的事件

Iterator<SelectionKey> keyIterator=selector.selectedKeys().iterator();

while(keyIterator.hasNext()){

SelectionKey key=keyIterator.next();

if(key.isAcceptable()){ //客户端连接请求事件

System.out.println("OP_ACCEPT");

SocketChannel socketChannel=serverSocketChannel.accept();

socketChannel.configureBlocking(false);

socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));

}

if(key.isReadable()){ //读取客户端数据事件

SocketChannel channel=(SocketChannel) key.channel();

ByteBuffer buffer=(ByteBuffer) key.attachment();

channel.read(buffer);

System.out.println("客户端发来数据："+new String(buffer.array()));

}

// 6.3 手动从集合中移除当前 key,防止重复处理

keyIterator.remove(); } } } }

上面代码用 NIO 实现了一个服务器端程序，能不断接受客户端连接并读取客户端发过来的

数据。

//网络客户端程序

public class NIOClient {

public static void main(String[] args) throws Exception{

//1. 得到一个网络通道

SocketChannel channel=SocketChannel.open();

//2. 设置非阻塞方式

channel.configureBlocking(false);

//3. 提供服务器端的 IP 地址和端口号

InetSocketAddress address=new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999);

//4. 连接服务器端

if(!channel.connect(address)){

while(!channel.finishConnect()){ //nio 作为非阻塞式的优势

System.out.println("Client:连接服务器端的同时，我还可以干别的一些事情");

}

//5. 得到一个缓冲区并存入数据

String msg="hello,Server";

ByteBuffer writeBuf = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());

//6. 发送数据

channel.write(writeBuf);

System.in.read();

}

3.3.3 网络聊天案例

刚才我们通过 NIO 实现了一个入门案例，基本了解了 NIO 的工作方式和运行流程，接

下来我们用 NIO 实现一个多人聊天案例，具体代码如下所示：

public class ChatServer {

private Selector selector;

private ServerSocketChannel listenerChannel;

private static final int PORT = 9999; //服务器端口

public ChatServer() {

try {

// 得到选择器

selector = Selector.open();

// 打开监听通道

listenerChannel = ServerSocketChannel.open();

// 绑定端口

listenerChannel.bind(new InetSocketAddress(PORT));

// 设置为非阻塞模式

listenerChannel.configureBlocking(false);

// 将选择器绑定到监听通道并监听 accept 事件

listenerChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

printInfo("Chat Server is ready.......");

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

public void start() {

try {

while (true) { //不停轮询

int count = selector.select();//获取就绪 channel

if (count > 0) {

Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();

while (iterator.hasNext()) {

SelectionKey key = iterator.next();

// 监听到 accept

if (key.isAcceptable()) {

SocketChannel sc = listenerChannel.accept();

//非阻塞模式

sc.configureBlocking(false);

//注册到选择器上并监听 read

sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

System.out.println(sc.getRemoteAddress().toString().substring(1)+"上线了...");

//将此对应的 channel 设置为 accept,接着准备接受其他客户端请求

key.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);

}

//监听到 read

if (key.isReadable()) {

readMsg(key); //读取客户端发来的数据

}

//一定要把当前 key 删掉，防止重复处理

iterator.remove();

}

} else {

System.out.println("独自在寒风中等候...");

}

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

private void readMsg(SelectionKey key) {

SocketChannel channel = null;

try {

// 得到关联的通道

channel = (SocketChannel) key.channel();

//设置 buffer 缓冲区

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

//从通道中读取数据并存储到缓冲区中

int count = channel.read(buffer);

//如果读取到了数据

if (count > 0) {

//把缓冲区数据转换为字符串

String msg = new String(buffer.array());

printInfo(msg);

//将关联的 channel 设置为 read，继续准备接受数据

key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);

BroadCast(channel, msg); //向所有客户端广播数据

}

buffer.clear();

} catch (IOException e) {

try {

//当客户端关闭 channel 时，进行异常如理

printInfo(channel.getRemoteAddress().toString().substring(1) + "下线了...");

key.cancel(); //取消注册

channel.close(); //关闭通道

} catch (IOException e1) {

e1.printStackTrace();

}

public void BroadCast(SocketChannel except, String msg) throws IOException {

System.out.println("发送广播...");

//广播数据到所有的 SocketChannel 中

for (SelectionKey key : selector.keys()) {

Channel targetchannel = key.channel();

//排除自身

if (targetchannel instanceof SocketChannel && targetchannel != except) {

SocketChannel dest = (SocketChannel) targetchannel;

//把数据存储到缓冲区中

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());

//往通道中写数据

dest.write(buffer);

}

private void printInfo(String str) { //往控制台打印消息

SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

System.out.println("[" + sdf.format(new Date()) + "] -> " + str);

}

public static void main(String[] args) {

ChatServer server = new ChatServer();

server.start();

} }

上述代码使用 NIO 编写了一个聊天程序的服务器端，可以接受客户端发来的数据，并能把

数据广播给所有客户端。

public class ChatClient {

private final String HOST = "127.0.0.1"; //服务器地址

private int PORT = 9999; //服务器端口

private Selector selector;

private SocketChannel socketChannel;

private String userName;

public ChatClient() throws IOException {

//得到选择器

selector = Selector.open();

//连接远程服务器

socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", PORT));

//设置非阻塞

socketChannel.configureBlocking(false);

//注册选择器并设置为 read

socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

//得到客户端 IP 地址和端口信息，作为聊天用户名使用

userName = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);

System.out.println("---------------Client(" + userName + ") is ready---------------");

}

//向服务器端发送数据

public void sendMsg(String msg) throws Exception {

//如果控制台输入 bye 就关闭通道，结束聊天

if (msg.equalsIgnoreCase("bye")) {

socketChannel.close();

socketChannel = null;

return;

}

msg = userName + "说: " + msg;

try {

//往通道中写数据

socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()));

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

//从服务器端接收数据

public void receiveMsg() {

try {

int readyChannels = selector.select();

if (readyChannels > 0) { //有可用通道

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();

while (keyIterator.hasNext()) {

SelectionKey sk = (SelectionKey) keyIterator.next();

if (sk.isReadable()) {

//得到关联的通道

SocketChannel sc = (SocketChannel) sk.channel();

//得到一个缓冲区

ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(1024);

//读取数据并存储到缓冲区

sc.read(buff);

//把缓冲区数据转换成字符串

String msg = new String(buff.array());

System.out.println(msg.trim());

}

keyIterator.remove(); //删除当前 SelectionKey，防止重复处理

}

} else {

System.out.println("人呢？都去哪儿了？没人聊天啊...");

}

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

} } }

上述代码通过 NIO 编写了一个聊天程序的客户端，可以向服务器端发送数据，并能接收服

务器广播的数据。

public class TestChat {

public static void main(String[] args) throws Exception {

//创建一个聊天客户端对象

ChatClient chatClient = new ChatClient();

new Thread() { //单独开一个线程不断的接收服务器端广播的数据

public void run() {

while (true) {

chatClient.receiveMsg();

try { //间隔 3 秒

Thread.currentThread().sleep(3000);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

}.start();

Scanner scanner = new Scanner(System.in);

//在控制台输入数据并发送到服务器端

while (scanner.hasNextLine()) {

String msg = scanner.nextLine();

chatClient.sendMsg(msg);

}

} }

上述代码运行了聊天程序的客户端，并在主线程中发送数据，在另一个线程中不断接收服务器端的广播数据，该代码运行一次就是一个聊天客户端，可以同时运行多个聊天客户端，

3.4 AIO 编程

JDK 7 引入了 Asynchronous I/O，即 AIO。在进行 I/O 编程中，常用到两种模式：Reactor

和 Proactor。Java 的 NIO 就是 Reactor，当有事件触发时，服务器端得到通知，进行相应的处理。AIO 即 NIO2.0，叫做异步不阻塞的 IO。AIO 引入异步通道的概念，采用了 Proactor 模式，简化了程序编写，一个有效的请求才启动一个线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用。

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