1. 引言
在学习Java NIO之前，请大家首先对Java的各种IO模型有个初步的认识。如果不太清楚的话，可以看这篇博客：【搞懂Java中的三种IO模型的区别：BIO & NIO & AIO】。
这里有一张图，对比一下传统IO（即BIO）和NIO的区别。
- 传统 IO 基于字节流或字符流（如 FileInputStream、BufferedReader 等）进行文件读写，以及使用 Socket 和 ServerSocket 进行网络传输。
- NIO 使用通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行文件操作，以及使用 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 进行网络传输。
传统 IO 采用阻塞式模型，对于每个连接，都需要创建一个独立的线程来处理读写操作。当一个线程在等待 I/O 操作时，无法执行其他任务。这会导致大量线程的创建和销毁，以及上下文切换，降低了系统性能。
NIO 使用非阻塞模型，允许线程在等待 I/O 时执行其他任务。这种模式通过使用选择器（Selector）来监控多个通道（Channel）上的 I/O 事件，实现了更高的性能和可伸缩性。
⚠需要注意：
使用 NIO 并不一定意味着高性能，它的性能优势主要体现在高并发和高延迟的网络环境下。当连接数较少、并发程度较低或者网络传输速度较快时，NIO 的性能并不一定优于传统的 BIO。
实际上，旧的IO包已经使用NIO优化过，所以即使我们不显式使用NIO编程，也能从中受益。
针对上面的注意点，我们来实战一下，看看不同场景下NIO与传统IO（BIO）的差异。
2. NIO比BIO强在何处？
2.1 处理文件IO时
上面我们提到过这句话，“实际上，旧的IO包已经使用NIO优化过，所以即使我们不显式使用NIO编程，也能从中受益”。具体体现在哪里呢，就是我们使用IO操作文件的时候。
这里我们将对比BIO和NIO做文件复制的性能：
@Test
public void test006() throws IOException{
// 这是一个750MB左右的测试文件
File file = new File("C:/Users/IQ50/Desktop/PVZ_for_test.zip");
File bio_des = new File("C:/Users/IQ50/Desktop/PVZ_for_test_bio.zip");
File nio_des = new File("C:/Users/IQ50/Desktop/PVZ_for_test_nio.zip");
long time1 = transferByBio(file,bio_des);
System.out.println("BIO花费了："+time1);
long time2 = transferByNio(file,nio_des);
System.out.println("NIO花费了："+time2);
}
// 传统IO
private long transferByBio(File file, File bioDes) throws IOException {
long start = System.currentTimeMillis();
if(!bioDes.exists()){
bioDes.createNewFile();
}
// 创建输入输出流
FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(bioDes);
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fos);
// 使用字节数组传输数据
byte[] buf = new byte[1024*1024];
int len = 0;
while((len=bis.read(buf))!=-1){
bos.write(buf,0,len);
}
bis.close();
bos.close();
long end = System.currentTimeMillis();
return end-start;
}
// NIO
private long transferByNio(File file, File nioDes) throws IOException{
long start = System.currentTimeMillis();
if(!nioDes.exists()){
nioDes.createNewFile();
}
// 创建随机存取文件对象
RandomAccessFile read = new RandomAccessFile(file,"rw");
RandomAccessFile write = new RandomAccessFile(nioDes,"rw");
// 获取文件通道
FileChannel readChannel = read.getChannel();
FileChannel writeChannel = write.getChannel();
// 使用ByteBuffer传输数据
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024*1024);
while(readChannel.read(buf)>0){
buf.flip();
writeChannel.write(buf);
buf.clear();
}
writeChannel.close();
readChannel.close();
long end = System.currentTimeMillis();
return end-start;
}
------------------------------------------------------
output：
BIO花费了：595
NIO花费了：335
先解释一下这段代码，里面出现的 RandomAccessFile 我们之前讲过，FileChannel 是 Java NIO（New I/O）库中的一个类，它提供了对文件的高效 I/O 操作，支持随机访问文件，允许在文件的任意位置进行读写操作。
与 RandomAccessFile 不同，FileChannel 使用了缓冲区（ByteBuffer）进行数据传输。
上述代码我们测试的对象是一个750MB左右的文件，大家可以自行测试小文件/大文件下的差异。
由于不同的JDK版本（实现可能不同），不同的测试文件内容都有可能影响结果，我这里只能有个大概的情况：
- 文件比较小的时候，两者差距不大；
- 文件较大时，NIO一般会比BIO快一些，也会有BIO更快的情况；
总结一下就是，在做文件IO时，NIO比BIO牛一点。
那么到网络IO时，NIO可就比BIO牛大了。我们接着看。
2.2 处理网络IO时
NIO 的魅力主要体现在网络中！
NIO（No-blocking IO，也可以叫New I/O）的设计目标是解决传统 I/O（BIO，Blocking I/O）在处理大量并发连接时的性能瓶颈。传统 I/O 在网络通信中主要使用阻塞式 I/O，为每个连接分配一个线程。当连接数量增加时，系统性能将受到严重影响，线程资源成为关键瓶颈。而 NIO 提供了非阻塞 I/O 和 I/O 多路复用，可以在单个线程中处理多个并发连接，从而在网络传输中显著提高性能。
以下是 NIO 在网络传输中优于传统 I/O 的原因：
- NIO 支持非阻塞 I/O，这意味着在执行 I/O 操作时，线程不会被阻塞。这使得在网络传输中可以有效地管理大量并发连接（数千甚至数百万）。而在操作文件时，这个优势没有那么明显，因为文件读写通常不涉及大量并发操作。
- NIO 支持 I/O 多路复用，这意味着一个线程可以同时监视多个通道（如套接字），并在 I/O 事件（如可读、可写）准备好时处理它们。这大大提高了网络传输中的性能，因为单个线程可以高效地管理多个并发连接。操作文件时这个优势也无法提现出来。
- NIO 提供了 ByteBuffer 类，可以高效地管理缓冲区。这在网络传输中很重要，因为数据通常是以字节流的形式传输。操作文件的时候，虽然也有缓冲区，但优势仍然不够明显。
接下来我们进行实战：
我们使用BIO去处理网络请求，简单来说就是在服务端用while去循环监听客户端的套接字Socker：
public class BioServer {
public static void main(String[] args) {
try{
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6767);
while(true){
Socket client = serverSocket.accept();
InputStream is = client.getInputStream();
OutputStream os = client.getOutputStream();
byte[] buf = new byte[1024];
int len = is.read(buf);
os.write(buf,0,len);
is.close();
os.close();
client.close();
}
}catch (IOException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
}
接下来实现以下NIO的网络server端，主要用到的ServerSocketChannel和Selector，代码中会有注释：
public class NioServer {
public static void main(String[] args) {
try {
// 创建 ServerSocketChannel
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 绑定端口
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8081));
// 设置为非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 创建 Selector
Selector selector = Selector.open();
// 将 ServerSocketChannel 注册到 Selector，关注 OP_ACCEPT 事件
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 无限循环，处理事件
while (true) {
// 阻塞直到有事件发生
selector.select();
// 获取发生事件的 SelectionKey
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
// 处理完后，从 selectedKeys 集合中移除
iterator.remove();
// 判断事件类型
if (key.isAcceptable()) {
// 有新的连接请求
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
// 接受连接
SocketChannel client = server.accept();
// 设置为非阻塞模式
client.configureBlocking(false);
// 将新的 SocketChannel 注册到 Selector，关注 OP_READ 事件
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
// 有数据可读
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
// 创建 ByteBuffer 缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 从 SocketChannel 中读取数据并写入 ByteBuffer
client.read(buffer);
// 翻转 ByteBuffer，准备读取
buffer.flip();
// 将数据从 ByteBuffer 写回到 SocketChannel
client.write(buffer);
// 关闭连接
client.close();
}
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
上面的代码创建了一个基于 Java NIO 的简单 TCP 服务器。它使用 ServerSocketChannel 和 Selector（后面会讲） 实现了非阻塞 I/O 和 I/O 多路复用。服务器循环监听事件，当有新的连接请求时，接受连接并将新的 SocketChannel 注册到 Selector，关注 OP_READ 事件。当有数据可读时，从 SocketChannel 中读取数据并写入 ByteBuffer，然后将数据从 ByteBuffer 写回到 SocketChannel。
为了方便理解，简单说一下Socket & ServerSocket，以及ServerSocketChannel & SocketChannel。
Socket 和 ServerSocket 是传统的阻塞式 I/O 编程方式，用于建立和管理 TCP 连接。
- Socket：表示客户端套接字，负责与服务器端建立连接并进行数据的读写。
- ServerSocket：表示服务器端套接字，负责监听客户端连接请求。当有新的连接请求时，ServerSocket 会创建一个新的 Socket 实例，用于与客户端进行通信。
在传统阻塞式 I/O 编程中，每个连接都需要一个单独的线程进行处理，这导致了在高并发场景下的性能问题。在接下来的客户端测试用例中会看到。
为了解决传统阻塞式 I/O 的性能问题，Java NIO 引入了ServerSocketChannel和SocketChannel。它们是非阻塞 I/O，可以在单个线程中处理多个连接。
- ServerSocketChannel：类似于 ServerSocket，表示服务器端套接字通道。它负责监听客户端连接请求，并可以设置为非阻塞模式，这意味着在等待客户端连接请求时不会阻塞线程。
- SocketChannel：类似于 Socket，表示客户端套接字通道。它负责与服务器端建立连接并进行数据的读写。SocketChannel 也可以设置为非阻塞模式，在读写数据时不会阻塞线程。
再来简单说一下 Selector，后面会再细讲。
Selector 是 Java NIO 中的一个关键组件，用于实现 I/O 多路复用。它允许在单个线程中同时监控多个 ServerSocketChannel和SocketChannel，并通过SelectionKey标识关注的事件。当某个事件发生时，Selector会将对应的SelectionKey添加到已选择的键集合中。通过使用Selector，可以在单个线程中同时处理多个连接，从而有效地提高 I/O 操作的性能，特别是在高并发场景下。
接下来我们来测试一下上面的两种客户端：
public class TestClient {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
int clientCount = 10000;
ExecutorService executorServiceIO = Executors.newFixedThreadPool(10);
ExecutorService executorServiceNIO = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 使用传统 IO 的客户端
Runnable ioClient = () -> {
try {
Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
OutputStream out = socket.getOutputStream();
InputStream in = socket.getInputStream();
out.write("Hello, 沉默王二 IO!".getBytes());
byte[] buffer = new byte[1024];
in.read(buffer);
in.close();
out.close();
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
};
// 使用 NIO 的客户端
Runnable nioClient = () -> {
try {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8081));
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, 沉默王二 NIO!".getBytes());
socketChannel.write(buffer);
buffer.clear();
socketChannel.read(buffer);
socketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
};
// 分别测试 NIO 和传统 IO 的服务器性能
long startTime, endTime;
startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < clientCount; i++) {
executorServiceIO.execute(ioClient);
}
executorServiceIO.shutdown();
executorServiceIO.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("传统 IO 服务器处理 " + clientCount + " 个客户端耗时: " + (endTime - startTime) + "ms");
startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < clientCount; i++) {
executorServiceNIO.execute(nioClient);
}
executorServiceNIO.shutdown();
executorServiceNIO.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("NIO 服务器处理 " + clientCount + " 个客户端耗时: " + (endTime - startTime) + "ms");
}
}
在这个简单的性能测试中，我们使用固定线程池（10个线程）来模拟客户端并发请求。分别测试 NIO 和传统 IO 服务器处理 10000 个客户端请求所需的时间。来看一下结果。
当然，实际生产环境的代码和各种条件是远远复杂于上面的demo的。
3. 小结
本篇内容主要讲了 NIO（New IO）和传统 IO 之间的差异，包括 IO 模型、操作文件、网络传输等方面。
- 传统 I/O 采用阻塞式模型，线程在 I/O 操作期间无法执行其他任务。NIO 使用非阻塞模型，允许线程在等待 I/O 时执行其他任务，通过选择器（Selector）监控多个通道（Channel）上的 I/O 事件，提高性能和可伸缩性。
- 传统 I/O 使用基于字节流或字符流的类（如 FileInputStream、BufferedReader 等）进行文件读写。NIO 使用通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行文件操作，NIO 在性能上的优势并不大。
- 传统 I/O 使用 Socket 和 ServerSocket 进行网络传输，存在阻塞问题。NIO 提供了 SocketChannel 和 ServerSocketChannel，支持非阻塞网络传输，提高了并发处理能力。
在下一篇博客中，我们将详细介绍NIO的核心组件Buffer缓冲区、Channel通道、Selector选择器。