Java NIO 与 Netty 实战：高性能网络通信的利器

一、前言

随着高并发、低延迟的业务场景增多，传统的 Java BIO（阻塞 IO）模式难以满足性能需求。Java NIO（非阻塞 IO）和 Netty 框架提供了一种高效的网络通信解决方案。本文将带你从 Java NIO 的原理出发，深入剖析 Netty 的高性能设计与实战应用。

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二、传统 BIO 的局限

ServerSocket server = new ServerSocket(8080);
Socket client = server.accept(); // 阻塞等待连接

BIO 的问题：

• 每个连接一个线程，线程资源浪费大
• 阻塞式读取，占用线程时间长
• 难以支撑高并发请求

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三、Java NIO 的核心组成

Java NIO 引入三大核心组件：

组件	说明
Channel	数据通道，代替 Socket
Buffer	缓冲区，数据读写容器
Selector	多路复用器，监听多个 Channel

工作机制图（推荐配图）：

客户端 ──→ Channel ──→ Selector
                     ↑
                 注册事件：read、write、connect

一个线程监听多个 Channel，从而实现单线程处理多连接。

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四、NIO 示例代码

Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
serverChannel.configureBlocking(false);
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

while (true) {
    selector.select();
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    for (SelectionKey key : keys) {
        if (key.isAcceptable()) {
            SocketChannel client = serverChannel.accept();
            client.configureBlocking(false);
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        } else if (key.isReadable()) {
            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            client.read(buffer);
            buffer.flip();
            client.write(buffer);
        }
    }
    keys.clear();
}

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五、Netty 简介

Netty 是基于 NIO 封装的高性能网络通信框架，特点包括：

• 线程模型优化（Reactor 模式）
• 高效内存管理（ByteBuf）
• 支持协议编解码
• 轻松构建 TCP/HTTP/WebSocket 等服务

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六、Netty 架构图（建议配图）

客户端请求 ─→ BossGroup（监听端口） ─→ WorkerGroup（处理IO）
                                     ↓
                         ChannelPipeline（处理链）
                          └→ 编解码器 / 业务逻辑Handler

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七、Netty 实战：构建 Echo 服务器

1. 服务端

public class EchoServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
            bootstrap.group(boss, worker)
                     .channel(NioServerSocketChannel.class)
                     .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                         protected void initChannel(SocketChannel ch) {
                             ch.pipeline().addLast(new EchoServerHandler());
                         }
                     });

            ChannelFuture future = bootstrap.bind(8080).sync();
            future.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            boss.shutdownGracefully();
            worker.shutdownGracefully();
        }
    }
}

2. Handler 处理类

public class EchoServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
        ctx.write(msg); // 直接返回消息
    }

    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) {
        ctx.flush(); // 刷出
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

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八、Netty 的优势

特性	说明
零拷贝	使用 ByteBuf 避免内存复制
Reactor 模式	多线程并发处理 IO
编解码支持	支持 Protobuf、HTTP、WebSocket 等协议
灵活扩展	ChannelPipeline 类似责任链

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九、性能对比：BIO vs NIO vs Netty（推荐图表）

并发连接数	BIO 平均响应(ms)	NIO 平均响应(ms)	Netty 平均响应(ms)
1000	150	90	40
10000	崩溃	400	90

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十、总结

• Java NIO 解决了 BIO 无法支持高并发的瓶颈
• Netty 在此基础上提供了封装良好、易于扩展的框架
• 实战中 Netty 常用于 IM、RPC、网关、IoT、游戏服务器等场景