浅谈Java NIO

Java NIO（New Input/Output）是Java平台上一种全新的IO API，相较于传统的Java I/O（也称为BIO，阻塞I/O），NIO引入了非阻塞I/O和通道（Channel）的概念，以及缓冲区（Buffer）和选择器（Selector）机制，大大提升了系统的并发处理能力和性能。以下是对NIO实现原理的关键点概述：

1. 非阻塞I/O：

   • 在传统的BIO中，当调用read或write方法时，线程会一直阻塞，直到数据准备好或写出成功。而在NIO中，当调用read或write方法时，如果没有数据可读或不能立即写入，线程不会被阻塞，而是继续执行其他任务，稍后再回来看看数据是否准备就绪。

2. 通道（Channel）：

   • Channel是NIO的基础，它是连接到实体（如硬件设备、文件、网络套接字等）的抽象接口，可以用于读写数据。与传统的InputStream和OutputStream不同，通道既可以读数据也可以写数据。

3. 缓冲区（Buffer）：

   • 缓冲区是NIO中用来存储数据的区域，它是内存的一部分，可以存放不同类型的数据（如字节、字符、整数、浮点数等）。缓冲区有自己的容量、当前位置和界限，这使得NIO能够在批量处理数据时更加高效。
   • Buffer本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。
   • Buffer对象包含三个重要的属性，分别是capacity、position、limit，其中position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。
     – capacity：capacity是指Buffer对象的最大容量，即它可以存储的数据总量。一旦创建了一个Buffer对象并分配了容量，这个容量就不能改变。例如，如果你创建了一个容量为100的ByteBuffer，那么它最多可以存储100个字节的数据。
     – position：position是当前读写操作的当前位置。初始情况下，position设置为0。当你从Buffer中读取数据时，position会向前移动，表示已经读取了多少数据；当你往Buffer中写入数据时，position也会向前移动，表示已经写入了多少数据。position的值始终在0到limit-1之间。
     – limit：limit标记了Buffer中可以被读取或写入数据的数量边界。对于写入操作，limit等于Buffer的capacity；而对于读取操作，limit等于最后一次写入操作后的position值。也就是说，limit表示的是当前剩余可以读取的数据量或者是还能写入的最大数据量。
     – 三个属性之间的关系，如下图所示：
     

4. 选择器（Selector）：

   • 选择器是NIO的重要特性，它允许单个线程监控多个通道的事件（如连接打开、数据到达等）。通过注册通道到选择器，线程可以检测哪些通道准备好了读、写或有新的连接。当调用select方法时，线程会阻塞，直到至少有一个通道准备好进行所关心的操作。
     这是在一个单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示：
     

5. 事件驱动：

   • NIO基于事件驱动模型，这意味着系统不会浪费CPU周期去持续查询是否有事件发生。相反，当有事件发生时，操作系统会通知Java应用程序，这样可以极大地提高并发处理能力，特别是在大规模并发连接场景下。

6. 堆外内存（Direct Buffers）：

   • NIO还可以直接操作堆外内存，即通过DirectByteBuffer等类直接与操作系统交互，减少Java堆和内核空间之间的数据复制，进一步提高性能。

Java NIO通过非阻塞I/O、通道、缓冲区和选择器机制，实现了高效的数据传输和处理，特别适合处理高并发、低延迟的网络通信和服务端编程场景。