第一部分：NIO概述
理解NIO与传统I/O的区别以及核心概念
学习目标
了解NIO与IO的主要区别，理解Buffer和Channel的核心作用
NIO与传统IO对比
| 特性 | 传统IO | NIO |
|---|---|---|
| 工作模式 | 阻塞式I/O | 非阻塞I/O |
| 数据流方向 | 单向流（InputStream/OutputStream） | 双向通道（Channel） |
| 缓冲机制 | 使用byte数组 | 使用Buffer对象 |
| 并发处理 | 每个连接一个线程 | 单线程管理多个连接 |
| 适用场景 | 连接数少的应用 | 高并发、大连接数的应用 |
NIO优势：
NIO更适合高并发、高性能的网络应用，如聊天服务器、文件服务器等
NIO核心组件
- Buffer（缓冲区）：数据存储容器，提供高效的数据访问方式
- Channel（通道）：双向通信通道，连接数据源和目的地
- Selector（选择器）：I/O多路复用，单线程管理多个Channel
- Charset（字符集）：提供Unicode字符串与字节之间的转换
NIO工作流程
- 应用程序从Channel读取数据到Buffer
- 应用程序处理Buffer中的数据
- 应用程序将处理后的数据从Buffer写入Channel
- Selector监控多个Channel的就绪状态
第二部分：Buffer详解
深入理解缓冲区的关键属性和操作方法
学习目标
掌握Buffer的核心概念、创建方式和状态转换
Buffer核心属性
Position: 0
Limit: 8
Capacity: 8
| 属性 | 描述 | 常用方法 |
|---|---|---|
| Capacity（容量） | 缓冲区最大容量，创建后不能改变 | capacity() |
| Position（位置） | 下一个要读取或写入的位置 | position() |
| Limit（限制） | 第一个不能读取或写入的位置 | limit() |
Buffer创建方式
// 创建ByteBuffer（最常用）
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 堆缓冲区
ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024); // 直接缓冲区
// 创建其他类型的Buffer
CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(512);
IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(256);
DoubleBuffer doubleBuffer = DoubleBuffer.allocate(128);
// 从数组创建Buffer
byte[] byteArray = new byte[1024];
ByteBuffer bufferFromArray = ByteBuffer.wrap(byteArray);
// 创建视图缓冲区
IntBuffer intView = byteBuffer.asIntBuffer();
选择策略：
堆内缓冲（HeapBuffer）适用于中小数据量，直接缓冲（DirectBuffer）减少一次内存拷贝，适合大文件操作或网络I/O
Buffer状态转换
写
写模式
position=0, limit=capacity
put()
flip
转换到读模式
limit = position, position=0
flip()
读
读模式
position < limit
get()
rewind
重读
position=0, limit不变
rewind()
clear
清空
重置position=0, limit=capacity
clear()
第三部分：Channel详解
了解不同类型通道的特点和使用方法
学习目标
掌握FileChannel、SocketChannel等核心通道的使用
FileChannel
用于文件读写操作，支持文件锁定和内存映射文件
// 创建FileChannel
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("data.txt", "rw");
FileChannel fileChannel = file.getChannel();
// 文件锁定
FileLock lock = fileChannel.lock();
// 使用内存映射文件
MappedByteBuffer buffer = fileChannel.map(
FileChannel.MapMode.READ_WRITE,
0,
fileChannel.size());
文件通道是阻塞式的，不适用于高并发场景
SocketChannel
TCP客户端通道，支持非阻塞模式
// 打开SocketChannel
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 连接服务器（非阻塞）
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("example.com", 8080));
// 完成连接
while (!socketChannel.finishConnect()) {
// 等待连接完成
}
需要与Selector配合实现高性能网络通信
ServerSocketChannel
TCP服务器通道，监听传入连接
// 创建服务器通道
ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
server.bind(new InetSocketAddress(8080));
server.configureBlocking(false); // 非阻塞模式
// 注册到Selector
server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 处理连接
while (true) {
SocketChannel client = server.accept();
if (client != null) {
// 处理客户端连接
}
}
通常与Selector配合使用处理多个连接
通道基础操作
// 打开通道
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
// 关闭通道
channel.close();
// 检查通道是否打开
if (channel.isOpen()) {
// 执行操作
}
// 设置阻塞模式
channel.configureBlocking(false);
// 注册到选择器
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
// 从通道读取数据
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int bytesRead = channel.read(buffer);
// 写入数据到通道
buffer.flip(); // 切换到读模式
int bytesWritten = channel.write(buffer);
// 强制刷新到存储设备（FileChannel）
fileChannel.force(true);
第四部分：Buffer与Channel交互
掌握Buffer和Channel配合实现高效I/O操作
学习目标
理解Buffer和Channel的交互过程，实现文件复制和网络传输
文件复制示例
public class FileCopy {
public static void main(String[] args) {
String source = "source.txt";
String dest = "dest.txt";
try (FileInputStream fis = new FileInputStream(source);
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(dest);
FileChannel inChannel = fis.getChannel();
FileChannel outChannel = fos.getChannel()) {
// 创建直接缓冲区提高性能
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(4096);
while (inChannel.read(buffer) != -1) {
// 准备读取缓冲区数据
buffer.flip();
// 写入到目标通道
outChannel.write(buffer);
// 清空缓冲区为下一次写入准备
buffer.clear();
}
System.out.println("文件复制完成");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
性能技巧：
使用直接缓冲区(allocateDirect)可以减少内存拷贝，提高大文件复制性能
网络数据传输
public class SimpleClient {
public static void main(String[] args) {
try (SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open()) {
// 连接服务器
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
// 准备发送的消息
String message = "Hello NIO Server!";
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(message.getBytes());
// 发送数据
while (buffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(buffer);
}
// 准备接收响应
buffer.clear();
socketChannel.read(buffer);
buffer.flip();
// 处理响应
byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];
buffer.get(bytes);
System.out.println("收到响应: " + new String(bytes));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
第五部分：常见错误与优化
避免常见错误并优化NIO应用性能
学习目标
识别并解决Buffer和Channel使用中的常见问题
常见错误
- 未调用flip()方法：导致读取无效数据
- 缓冲区溢出：put操作超过buffer.capacity()
- 未正确处理Buffer状态：读写模式混淆
- 直接缓冲区内存释放：可能导致内存泄漏
- 未关闭通道：导致资源泄漏
重要提醒：
使用直接缓冲区后，即使调用clear()也不会真正释放内存，需要等待垃圾回收器回收
性能优化建议
- 使用直接缓冲区：适合大量数据传输
- 合理设置缓冲区大小：避免频繁的I/O操作
- 批量操作：使用Scatter/Gather减少系统调用
- 内存映射文件：提高大文件访问性能
- 使用Buffer池：避免频繁创建/销毁缓冲区
第六部分：实战练习
通过实战项目巩固NIO知识
学习目标
完成以下练习以巩固所学的Buffer和Channel知识
实战练习
练习1：Buffer操作模拟器
创建一个程序模拟Buffer操作：
- 实现Buffer的allocate、put、get、flip、clear等方法
- 显示当前Buffer的属性：position, limit, capacity
- 验证缓冲区操作的边界条件
练习2：NIO文件工具
创建一个文件工具类，支持：
- 高效文件复制
- 文件分割与合并
- 文件内容比较
- 支持直接缓冲和内存映射
练习3：简单NIO服务器
实现一个支持以下功能的NIO服务器：
- 监听指定端口，接受客户端连接
- 支持同时处理多个客户端连接
- 接收客户端消息并返回响应
- 客户端断开连接后清理资源
- 支持简单的聊天功能