面试官：Java Nio的优缺点？可能的瓶颈有哪些?

Java宝典

发布于 2023-08-30 13:14:39

4360

发布于 2023-08-30 13:14:39

了解NIO

        Java NIO（New Input/Output）是Java提供的一种新的I/O（输入/输出）模型，引入了基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的概念，相比传统的流式I/O模型，提供了更高效、更灵活的I/O操作方式。NIO中的 N 可以理解为 Non-blocking，同步非阻塞IO。

NIO 提供了与传统 BIO 模型中的 Socket 和 ServerSocket 相对应的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 两种不同的套接字通道实现。

NIO 这两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。

阻塞模式使用就像传统中的支持一样，比较简单，但是性能和可靠性都不好；非阻塞模式有较好的性能和可靠性。

应用场景

Java NIO 提供了一种更高效、更灵活的方式来处理I/O操作

因此特别适用于高并发、大规模数据处理的场景。它在网络编程、文件处理、多媒体处理等领域都有广泛的应用。

核心概念

Java NIO 的核心概念包括以下几个部分：

通道（Channel）：

通道是数据传输的载体，可以与文件或网络套接字建立连接。
通道提供了双向的数据传输能力，可以读取和写入数据。
Java NIO 中的所有 I/O 操作都是通过通道进行的。

缓冲区（Buffer）：

缓冲区是一块连续的内存区域，用于存储数据。
缓冲区提供了对数据的结构化访问，可以方便地读取和写入数据。
数据通过缓冲区进行传输，从通道Channel读取到缓冲区，从缓冲区写入到通道Channel。

选择器（Selector）：

选择器是用于多路复用 I/O 的组件，可以通过一个线程管理多个通道。
选择器可以同时监控多个通道上的事件，如读取事件、写入事件等。
通过选择器，可以实现单线程处理多个通道的I/O操作。

Nio的常用方式

对于NIO来说selector主要用来接受客户端的连接，所以一般用在server端。我们以一个NIO的服务器端和客户端聊天室为例来讲解NIO在JDK中是怎么使用的。

我们选择Socket协议为基础的ServerSocketChannel

首先就是open这个Server channel:

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("localhost", 9090));
serverSocketChannel.configureBlocking(false);

然后向server channel中注册selector:

Selector selector = Selector.open();
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

虽然是NIO，但是对于Selector来说，它的select方法是阻塞方法，

只有找到匹配的channel之后才会返回，为了多次进行select操作，我们需要在一个while循环里面进行selector的select操作：

while (true) {
            selector.select();
            Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iter = selectedKeys.iterator();
            while (iter.hasNext()) {
                SelectionKey selectionKey = iter.next();
                if (selectionKey.isAcceptable()) {
                    register(selector, serverSocketChannel);
                }
                if (selectionKey.isReadable()) {
                    serverResponse(byteBuffer, selectionKey);
                }
                iter.remove();
            }
            Thread.sleep(1000);
        }

selector中会有一些SelectionKey,SelectionKey中有一些表示操作状态的OP Status,根据这个OP Status的不同，selectionKey可以有四种状态，分别是isReadable,isWritable,isConnectable和isAcceptable。

当SelectionKey处于isAcceptable状态的时候，表示ServerSocketChannel可以接受连接了，我们需要调用register方法将serverSocketChannel accept生成的socketChannel注册到selector中，以监听它的OP READ状态，后续可以从中读取数据：

private static void register(Selector selector, ServerSocketChannel serverSocketChannel)
            throws IOException {
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    }

当selectionKey处于isReadable状态的时候，表示可以从socketChannel中读取数据然后进行处理：

private static void serverResponse(ByteBuffer byteBuffer, SelectionKey selectionKey)
            throws IOException {
        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
        socketChannel.read(byteBuffer);
        byteBuffer.flip();
        byte[] bytes= new byte[byteBuffer.limit()];
        byteBuffer.get(bytes);
        log.info(new String(bytes).trim());
        if(new String(bytes).trim().equals(BYE_BYE)){
            log.info("BYE");
            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("BYE".getBytes()));
            socketChannel.close();
        }else {
            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("BYE—BYE".getBytes()));
        }
        byteBuffer.clear();
    }

上面的serverResponse方法中，从selectionKey中拿到对应的SocketChannel，然后调用SocketChannel的read方法，将channel中的数据读取到byteBuffer中，要想回复消息到channel中，还是使用同一个socketChannel，然后调用write方法回写消息给client端，到这里一个简单的回写客户端消息的server端就完成了。

接下来就是对应的NIO客户端，在NIO客户端需要使用SocketChannel,首先建立和服务器的连接：

socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 9090));

然后就可以使用这个channel来发送和接受消息了：

public String sendMessage(String msg) throws IOException {
        byteBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
        String response = null;
        socketChannel.write(byteBuffer);
        byteBuffer.clear();
        socketChannel.read(byteBuffer);
        byteBuffer.flip();
        byte[] bytes= new byte[byteBuffer.limit()];
        byteBuffer.get(bytes);
        response =new String(bytes).trim();
        byteBuffer.clear();
        return response;
    }

向channel中写入消息可以使用write方法，从channel中读取消息可以使用read方法。

这样一个NIO的客户端就完成了。

虽然以上是NIO的server和client的基本使用，但是基本上涵盖了NIO的所有要点

优缺点及瓶颈

优点
1. 非阻塞：Java NIO使用了非阻塞I/O模型，允许应用程序在进行I/O操作时不必等待，可以继续处理其他任务，提高了系统的并发性能。
2. 内存效率：Java NIO使用了直接内存缓冲区（Direct Buffer），可以直接操作系统内存，避免了数据在Java堆和操作系统之间的复制，提高了内存使用效率
3. 多路复用:有selector多路复用，因此1个线程就行就能处理所有连接，这个线程不停循环遍历处理channel,可以通过一个线程同时监视多个通道的状态,从而实现单线程处理多个I/O操作。
缺点
1. 学习曲线：对于初学者来说，理解和使用Java NIO的概念和 API 可能需要一定的学习曲线，相对于传统的Java I/O，需要更多的学习和实践。
2. 复杂性：相比传统的Java I/O，Java NIO的编程模型更加复杂，需要处理事件驱动和回调机制，编写的代码可能更加复杂和难以理解。
3. 性能方面：单线程不停循环发起系统调用，一样会耗尽 CPU 资源。
NIO 可能的瓶颈
1. 使用内存占用：使用直接内存缓冲区可能导致较高的内存消耗，特别是在处理大量数据时，对于内存的管控需要更加严格。
2. 复杂性导致的错误：由于Java NIO的复杂性，编写代码时可能容易出错，例如处理错误的事件、资源泄漏等

本文参与腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自微信公众号。

原始发表：2023-07-05，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

java