如何在Java中使用NIO框架？

在 Java 中使用 NIO 框架（Java NIO）需掌握其核心组件（Buffer、Channel、Selector）及非阻塞 I/O 模型。以下从基础组件使用、文件操作、网络通信、高级封装框架四个维度，结合示例详解具体用法：

一、Java NIO 核心组件基础

Java NIO 的核心是Buffer（缓冲区）、Channel（通道）、Selector（选择器），三者协同实现非阻塞 I/O：

• Buffer：数据容器，用于存储待读写的数据（如 ByteBuffer、CharBuffer）；
• Channel：双向数据通道（连接数据源与 Buffer），支持非阻塞操作（如 FileChannel、SocketChannel）；
• Selector：多路复用器，让单线程监听多个 Channel 的 I/O 事件（如连接、可读、可写）。

二、NIO 文件操作（FileChannel）

FileChannel 用于文件的读写，支持阻塞 / 非阻塞模式，性能优于传统 FileInputStream/FileOutputStream。

1. 读取文件

java

 

运行

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;public class NIOFileReadExample {public static void main(String[] args) {try (// 以读写模式打开文件RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("data.txt", "rw");// 获取文件通道FileChannel channel = file.getChannel()) {// 分配缓冲区（容量1024字节）ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 从通道读取数据到缓冲区int bytesRead = channel.read(buffer);while (bytesRead != -1) { // -1表示读取完毕// 切换缓冲区为"读模式"（limit=position，position=0）buffer.flip();// 读取缓冲区数据（转换为字符串）String content = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer).toString();System.out.print(content);// 清空缓冲区（切换为"写模式"，position=0，limit=capacity）buffer.clear();// 继续读取下一批数据bytesRead = channel.read(buffer);}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

 

2. 写入文件

java

 

运行

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;public class NIOFileWriteExample {public static void main(String[] args) {try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("output.txt", "rw");FileChannel channel = file.getChannel()) {String data = "Hello Java NIO!";// 将字符串转为字节数组，写入缓冲区ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));// 从缓冲区写入通道（即写入文件）channel.write(buffer);System.out.println("数据写入完成");} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

 

3. 文件复制（通道直接传输）

FileChannel 支持transferFrom()/transferTo()直接传输数据，无需缓冲区中转，效率更高：

java

 

运行

 

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.channels.FileChannel;public class NIOFileCopyExample {public static void main(String[] args) {try (RandomAccessFile sourceFile = new RandomAccessFile("source.txt", "r");RandomAccessFile targetFile = new RandomAccessFile("target.txt", "rw");FileChannel sourceChannel = sourceFile.getChannel();FileChannel targetChannel = targetFile.getChannel()) {// 从源通道传输数据到目标通道（参数：起始位置，传输大小，目标通道）sourceChannel.transferTo(0, sourceChannel.size(), targetChannel);System.out.println("文件复制完成");} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

 

三、NIO 网络通信（Selector + SocketChannel）

Java NIO 的核心优势是非阻塞网络通信，通过 Selector 实现单线程处理多连接，适用于高并发场景（如服务器开发）。

1. NIO 服务器端（支持多客户端连接）

java

 

运行

 

 

 

 

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;public class NIOServer {public static void main(String[] args) {try (// 打开Selector（多路复用器）Selector selector = Selector.open();// 打开服务器通道（ServerSocketChannel）ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open()) {// 绑定端口serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));// 设置为非阻塞模式（必须，否则Selector无法工作）serverChannel.configureBlocking(false);// 注册"连接事件"（OP_ACCEPT）到SelectorserverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);System.out.println("NIO服务器启动，监听端口8080...");while (true) {// 阻塞等待事件触发（返回触发的事件数）int readyChannels = selector.select();if (readyChannels == 0) continue;// 获取所有触发的事件KeySet<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();while (keyIterator.hasNext()) {SelectionKey key = keyIterator.next();// 处理"连接事件"（客户端发起连接）if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();// 接受客户端连接，返回SocketChannelSocketChannel clientChannel = ssc.accept();clientChannel.configureBlocking(false);// 注册"读事件"（OP_READ）到Selector，关联一个缓冲区clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));System.out.println("客户端连接：" + clientChannel.getRemoteAddress());}// 处理"读事件"（客户端发送数据）else if (key.isReadable()) {SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();// 获取关联的缓冲区ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();// 从通道读取数据到缓冲区int bytesRead = clientChannel.read(buffer);if (bytesRead == -1) {// 客户端关闭连接clientChannel.close();key.cancel();System.out.println("客户端断开连接：" + clientChannel.getRemoteAddress());continue;}// 切换缓冲区为读模式buffer.flip();// 解码数据为字符串String msg = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer).toString().trim();System.out.println("收到客户端消息：" + msg);// 回复客户端（可选）String response = "服务器已收到：" + msg;buffer.clear();buffer.put(response.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));buffer.flip();clientChannel.write(buffer);// 清空缓冲区，准备下次读取buffer.clear();}// 移除已处理的事件Key（必须，否则会重复处理）keyIterator.remove();}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

 

2. NIO 客户端（连接服务器并发送数据）

java

 

运行

 

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Scanner;public class NIOClient {public static void main(String[] args) {try (// 打开SocketChannelSocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();Scanner scanner = new Scanner(System.in)) {// 连接服务器clientChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));// 设置为非阻塞模式（可选，若需异步操作）clientChannel.configureBlocking(false);ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);System.out.println("已连接服务器，输入消息发送（输入exit退出）：");while (true) {String msg = scanner.nextLine();if ("exit".equalsIgnoreCase(msg)) break;// 写入数据到缓冲区buffer.put(msg.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));buffer.flip();// 发送数据到服务器clientChannel.write(buffer);buffer.clear();// 读取服务器回复（非阻塞模式需循环读取）int bytesRead = clientChannel.read(buffer);if (bytesRead > 0) {buffer.flip();String response = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer).toString();System.out.println("服务器回复：" + response);buffer.clear();}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

 

四、使用高级 NIO 封装框架（Netty）

Java NIO 原生 API 较繁琐，实际开发中常使用Netty（基于 NIO 封装的高性能网络框架），简化开发流程：

1. Netty 服务器端示例

java

 

运行

 

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringEncoder;public class NettyServer {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 主线程组（接受连接）EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);// 工作线程组（处理读写）EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();try {ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();bootstrap.group(bossGroup, workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class) // 使用NIO通道.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128) // 连接队列大小.childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true) // 保持长连接.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {@Overrideprotected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();// 添加字符串编解码器pipeline.addLast(new StringDecoder());pipeline.addLast(new StringEncoder());// 添加自定义业务处理器pipeline.addLast(new NettyServerHandler());}});// 绑定端口并启动ChannelFuture future = bootstrap.bind(8080).sync();System.out.println("Netty服务器启动，监听端口8080...");// 等待服务器关闭future.channel().closeFuture().sync();} finally {bossGroup.shutdownGracefully();workerGroup.shutdownGracefully();}}// 自定义业务处理器static class NettyServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<String> {@Overrideprotected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) throws Exception {System.out.println("收到客户端消息：" + msg);// 回复客户端ctx.writeAndFlush("服务器已收到：" + msg);}@Overridepublic void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {System.out.println("客户端连接：" + ctx.channel().remoteAddress());}@Overridepublic void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {cause.printStackTrace();ctx.close();}}
}

 

2. Netty 客户端示例

java

 

运行

 

 

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringEncoder;import java.util.Scanner;public class NettyClient {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();try {Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();bootstrap.group(group).channel(NioSocketChannel.class).handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {@Overrideprotected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();pipeline.addLast(new StringDecoder());pipeline.addLast(new StringEncoder());pipeline.addLast(new NettyClientHandler());}});// 连接服务器ChannelFuture future = bootstrap.connect("localhost", 8080).sync();Channel channel = future.channel();System.out.println("已连接服务器，输入消息发送（输入exit退出）：");Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (true) {String msg = scanner.nextLine();if ("exit".equalsIgnoreCase(msg)) {channel.close();break;}// 发送消息channel.writeAndFlush(msg);}channel.closeFuture().sync();} finally {group.shutdownGracefully();}}static class NettyClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler<String> {@Overrideprotected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) throws Exception {System.out.println("服务器回复：" + msg);}}
}

 

五、NIO 使用注意事项

1. Buffer 操作：务必区分 “写模式” 和 “读模式”（通过flip()切换），避免数据读取错误；
2. 非阻塞模式：Channel 需设置为configureBlocking(false)才能配合 Selector 使用；
3. Selector 事件处理：处理完事件后必须移除SelectionKey（keyIterator.remove()），否则会重复触发；
4. 资源释放：Channel、Selector 需通过try-with-resources或手动关闭，避免资源泄漏；
5. 高并发场景：优先使用 Netty 等封装框架，避免原生 NIO 的复杂细节。

总结

Java NIO 通过 Buffer、Channel、Selector 实现非阻塞 I/O，适用于文件操作和高并发网络通信。原生 API 需手动管理缓冲区和事件，而 Netty 等框架封装了底层细节，大幅提升开发效率。根据场景选择：简单文件操作可用原生 FileChannel，高并发网络开发优先用 Netty。