IO 与 NIO：从阻塞流到多路复用

更新时间：2026-09-20。Java 处理数据进出有两代 API：传统 java.io（BIO，面向流、阻塞）和 java.nio（面向缓冲区、可非阻塞、支持多路复用）。高并发网络编程的基石是后者。

一、BIO：面向流、阻塞

字节流（8 位）：InputStream / OutputStream  —— 一切的基础
字符流（16 位 char）：Reader / Writer       —— 处理文本，带编码
桥接：InputStreamReader 把字节流按字符集解码成字符流

// try-with-resources 自动关闭；字节流读文件
try (InputStream in = new FileInputStream("a.bin")) {
    byte[] buf = new byte[4096];
    int n;
    while ((n = in.read(buf)) != -1) { /* 处理 buf[0..n) */ }
}
// 带缓冲的字符流读文本，指定 UTF-8 避免平台默认编码坑
try (BufferedReader br = Files.newBufferedReader(Path.of("a.txt"), StandardCharsets.UTF_8)) {
    br.lines().forEach(System.out::println);
}

特点：read() 在数据没到时阻塞线程；一连接一线程，连接上万时线程数爆炸、内存与上下文切换成本高。网络层面的连接与超时问题见 strace 网络超时。

二、NIO：Channel + Buffer + Selector

概念	作用
Channel	双向读写通道（FileChannel/SocketChannel/ServerSocketChannel）
Buffer	一块内存（ByteBuffer），读写都经过它，有 position/limit/flip
Selector	一个线程轮询多个 Channel 的就绪事件（多路复用）
SelectionKey	Channel 与 Selector 的绑定，标记 OP_READ/WRITE/ACCEPT/CONNECT

Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel srv = ServerSocketChannel.open();
srv.configureBlocking(false);                 // 切到非阻塞
srv.bind(new InetSocketAddress(8080));
srv.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

while (true) {
    selector.select();                        // 阻塞到至少一个通道就绪
    Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
    while (it.hasNext()) {
        SelectionKey k = it.next();
        it.remove();
        if (k.isAcceptable()) { /* accept 并注册 OP_READ */ }
        else if (k.isReadable()) { /* 读到的都是已就绪的，不阻塞 */ }
    }
}

核心收益：用极少量线程管理海量连接，只有真正就绪的通道才被处理，避免空等。Buffer 操作要记 flip()（写模式切读模式：limit=position, position=0）和 clear()/compact()。

三、零拷贝 transferTo

FileChannel.transferTo() 在底层走 sendfile，数据直接从页缓存到 socket，绕开用户态拷贝和多次上下文切换——这是 Kafka/Nginx 高吞吐的关键，原理见零拷贝 sendfile。

四、选型

• 普通文件读写、小服务：用 java.nio.file.Files + BIO 缓冲流即可，简单不易错。
• 海量长连接网关/IM/推送：NIO 多路复用；实际项目几乎不裸写 Selector，直接用 Netty（在 NIO 之上处理拆包、epoll 空轮询 bug、字节缓冲池）。
• 高吞吐文件传输：transferTo/mmap 零拷贝。

坑

• 忘记 flip()：Buffer 写完直接读，position 还在末尾，读不到数据或读到 0 字节。
• 字符流不传字符集：默认用平台编码，Windows/Linux 行为不一致导致乱码，显式 StandardCharsets.UTF_8。
• 把 NIO 当万能：计算密集或连接很少时，多路复用的复杂度不划算，BIO+线程池更直白。
• selectedKeys 不 remove：同一个 key 被重复处理，必须手动从 selectedKeys 移除。
• 在通道上做阻塞操作：configureBlocking(false) 后仍调用会阻塞的方法，破坏反应器模型。

总结

java.io 是面向流的阻塞模型，字节流处理二进制、字符流配合字符集处理文本，一连接一线程撑不住高并发；java.nio 用双向 Channel、带 position/limit 的 Buffer 和单线程轮询多连接的 Selector 实现 IO 多路复用，让少量线程管理海量就绪连接，并以 transferTo 提供 sendfile 零拷贝；日常文件用 Files+缓冲流，超高并发网络直接上 Netty，同时注意 flip、显式 UTF-8 与及时移除 selectedKeys。