第 32 章：IO 流进阶

学习目标

• 理解 BIO / NIO / AIO 的区别
• 掌握 Buffer 与 Channel
• 了解零拷贝与 Netty 的基础

一、三种 IO 模型

模型	线程模型	适用
BIO	1 连接 : 1 线程	连接数少（< 1000）、逻辑简单
NIO	1 线程 : N 连接	高并发（Netty / Tomcat NIO / Redis）
AIO	系统回调	Windows 上可用，Linux 底层仍是 epoll

BIO 的问题

// BIO 服务端：每个连接开一个线程
ServerSocket server = new ServerSocket(8080);
while (true) {
    Socket socket = server.accept();      // ① 阻塞，直到有连接进来
    new Thread(() -> {
        InputStream in = socket.getInputStream();
        in.read(buffer);                  // ② 阻塞，直到有数据
    }).start();                           // ③ 1 万连接 = 1 万线程 → OOM
}

为什么线程多就慢？ 每个线程栈默认 1MB，1 万线程要 10GB 内存；且 CPU 大量时间花在线程上下文切换上。

二、NIO 三大核心

组件	作用
Channel	类似流，但双向（可读可写）
Buffer	数据必须先进 Buffer，不能直接读写 Channel
Selector	一个线程监听多个 Channel 的就绪事件

三、Buffer 的四个指针

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

buffer.put("hello".getBytes());   // ① 写模式：position 移到 5
buffer.flip();                    // ② 切换读模式：limit=5, position=0
byte b = buffer.get();            // ③ 读一个字节，position=1
buffer.clear();                   // ④ 重置为写模式（数据未擦除，但可覆盖）

指针	含义
capacity	总容量，创建后不变
position	下一个读/写的位置
limit	能读/写的上界
mark	标记位置，reset() 回到这里

新手必踩坑：写完不 flip() 直接读 → 读到的是空数据（position 还在末尾）。

四、Channel 复制文件

try (FileChannel in = FileChannel.open(Path.of("src.bin"), StandardOpenOption.READ);
     FileChannel out = FileChannel.open(Path.of("dst.bin"),
             StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.WRITE)) {

    // ✅ 零拷贝：数据不经过 JVM 堆，直接内核态传输
    in.transferTo(0, in.size(), out);
}

零拷贝原理

应用：Kafka 高吞吐的秘密之一就是零拷贝（sendfile 系统调用）。

五、Selector 多路复用

Selector selector = Selector.open();

ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
server.bind(new InetSocketAddress(8080));
server.configureBlocking(false);                        // ① 必须设为非阻塞
server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);      // ② 注册关心的事件

while (true) {
    selector.select();                                  // ③ 阻塞直到有事件就绪
    Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();

    while (it.hasNext()) {
        SelectionKey key = it.next();
        it.remove();                                    // ④ 必须移除，否则重复处理

        if (key.isAcceptable()) {
            SocketChannel client = server.accept();
            client.configureBlocking(false);
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        } else if (key.isReadable()) {
            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
            client.read(buf);
            buf.flip();
            System.out.println(StandardCharsets.UTF_8.decode(buf));
        }
    }
}

一个线程就能扛住上万连接——这就是 Netty / Redis / Nginx 高并发的底层模型（epoll）。

六、实际开发怎么选？

需求	选择
读写本地文件	Files.readString / Files.lines（够用）
大文件复制	FileChannel.transferTo（零拷贝）
写网络服务器	不要手写 NIO，用 Netty
Web 应用	Spring Boot 内嵌 Tomcat 已用 NIO，无需操心

规约：手写 NIO 极易出 bug（半包、粘包、空轮询 CPU 100%）。生产环境一律用 Netty。

七、本章小结

要点	关键
BIO	1 连接 1 线程，连接多就崩
NIO	Channel + Buffer + Selector
Buffer	写完必须 flip() 才能读
零拷贝	transferTo，不经过 JVM 堆
Selector	一线程管万连接
生产建议	网络编程用 Netty

动手练习

练习 1：基础题

用 ByteBuffer 写入 "hello world"，再完整读出来打印。注意 flip() 的时机。

练习 2：进阶题

用 NIO Selector 写一个简易 Echo 服务器：客户端发什么，服务端原样返回。用 telnet 测试。

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