NIO前需要了解的一些概念。
几个概念：
缓冲区（Buffers）
新的 Buffer 类是常规 Java 类和通道之间的纽带。原始数据元素组成的固定长度数组，封装在
包含状态信息的对象中，存入缓冲区。缓冲区提供了一个会合点：通道既可提取放在缓冲区中的数
据（写），也可向缓冲区存入数据供读取（读）。此外，还有一种特殊类型的缓冲区，用于内存映
射文件。
通道（Channels）
NIO 新引入的最重要的抽象是通道的概念。Channel 对象模拟了通信连接，管道既可以是单向
的（进或出），也可以是双向的（进和出）。可以把通道想象成连接缓冲区和 I/O 服务的捷径
文件锁定和内存映射文件（File locking and memory-mapped files）
新的 FileChannel 对象包含在 java.nio.channels 软件包内，提供许多面向文件的新特
性，其中最有趣的两个是文件锁定和内存映射文件。
在多个进程协同工作的情况下，要协调各个进程对共享数据的访问，文件锁定是必不可少的工
具。
将文件映射到内存，这样在您看来，磁盘上的文件数据就像是在内存中一样。这利用了操作系
统的虚拟内存功能，无需在内存中实际保留一份文件的拷贝，就可实现文件内容的动态高速缓存。
套接字（Sockets）
套接字通道类为使用网络套接字实现交互提供了新方法。套接字通道可工作于非块模式，并可
与选择器一同使用。因此，多个套接字可实现多路传输，管理效率也比 java.net 提供的传统套
接字更高。
三个新套接字通道，即 ServerSocketChannel、SocketChannel 和 DatagramChannel
选择器（Selectors）
选择器可实现就绪性选择。Selector 类提供了确定一或多个通道当前状态的机制。使用选择
器，借助单一线程，就可对数量庞大的活动 I/O 通道实施监控和维护。
正则表达式（Regular expressions）
新增的 java.util.regex 软件包将类似 Perl 语言的正则表达式处理机制引入 Java。这一人
们期盼已久的特性有着广泛用途。
新的正则表达式 API 之所以被看成是 NIO 的组成部分，是因 JSR 51 把它与其他 NIO 特性放在
一起作了详细说明。虽然它在许多方面与 NIO 的其他组成部分缺乏平行关系，但它在文件处理等
众多领域都是极其有用的。
字符集（Character sets）
java.nio.charsets 提供了新类用于处理字符与字节流之间的映射关系。您可以对字符转
5
换映射方式进行选择，也可以自己创建映射。
磁盘I/O的示例
图中明显忽略了很多细节，仅显示了涉及到的基本步骤。
如图
注意图中用户空间和内核空间的概念。用户空间是常规进程所在区域。JVM 就是常规进程，
驻守于用户空间。用户空间是非特权区域：比如，在该区域执行的代码就不能直接访问硬件设备。
内核空间是操作系统所在区域。内核代码有特别的权力：它能与设备控制器通讯，控制着用户区域
进程的运行状态，等等。最重要的是，所有 I/O 都直接（如这里所述）或间接（见 1.4.2 小节）通
过内核空间。
当进程请求 I/O 操作的时候，它执行一个系统调用（有时称为陷阱）将控制权移交给内核。
C/C++程序员所熟知的底层函数 open( )、read( )、write( )和 close( )要做的无非就是建立和执行适当
的系统调用。当内核以这种方式被调用，它随即采取任何必要步骤，找到进程所需数据，并把数据
传送到用户空间内的指定缓冲区。内核试图对数据进行高速缓存或预读取，因此进程所需数据可能
已经在内核空间里了。如果是这样，该数据只需简单地拷贝出来即可。如果数据不在内核空间，则
进程被挂起，内核着手把数据读进内存。
看了图 1-1，您可能会觉得，把数据从内核空间拷贝到用户空间似乎有些多余。为什么不直接
让磁盘控制器把数据送到用户空间的缓冲区呢？这样做有几个问题。首先，硬件通常不能直接访问
用户空间 1。其次，像磁盘这样基于块存储的硬件设备操作的是固定大小的数据块，而用户进程请
求的可能是任意大小的或非对齐的数据块。在数据往来于用户空间与存储设备的过程中，内核负责
数据的分解、再组合工作，因此充当着中间人的角色。
发散／汇聚
许多操作系统能把组装／分解过程进行得更加高效。根据发散／汇聚的概念，进程只需一个系
统调用，就能把一连串缓冲区地址传递给操作系统。然后，内核就可以顺序填充或排干多个缓冲
区，读的时候就把数据发散到多个用户空间缓冲区，写的时候再从多个缓冲区把数据汇聚起来
这样用户进程就不必多次执行系统调用（那样做可能代价不菲），内核也可以优化数据的处理
过程，因为它已掌握待传输数据的全部信息。如果系统配有多个 CPU，甚至可以同时填充或排干
多个缓冲区。
虚拟内存
所有现代操作系统都使用虚拟内存。虚拟内存意为使用虚假（或虚拟）地址取代物理（硬件
RAM）内存地址。这样做好处颇多，总结起来可分为两大类：
1. 一个以上的虚拟地址可指向同一个物理内存地址。
2. 虚拟内存空间可大于实际可用的硬件内存。
设备控制器不能通过 DMA 直接存储到用户空间，但通过利用上面提到的第一
项，则可以达到相同效果。把内核空间地址与用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，这样，
DMA 硬件（只能访问物理内存地址）就可以填充对内核与用户空间进程同时可见的缓冲区
如图，进程虚拟内存和内核虚拟内存映射到的物理地址都一样，这样DMA写到实际的物理内存后，两个缓冲区指向的物理地址都一样，那么他们就同时能访问到数据了。
但前提条件是，内核与用户缓冲区必须
使用相同的页对齐，缓冲区的大小还必须是磁盘控制器块大小（通常为 512 字节磁盘扇区）的倍
数。操作系统把内存地址空间划分为页，即固定大小的字节组。内存页的大小总是磁盘块大小的倍
数，通常为 2 次幂（这样可简化寻址操作）。典型的内存页为 1,024、2,048 和 4,096 字节。虚拟和
物理内存页的大小总是相同的。
如上图显示了来自多个虚拟地址的虚拟内存页是如何映射到物理内
内存页面调度
为了支持虚拟内存的第二个特性（寻址空间大于物理内存），就必须进行虚拟内存分页（经常
称为交换，虽然真正的交换是在进程层面完成，而非页层面）。依照该方案，虚拟内存空间的页面
能够继续存在于外部磁盘存储，这样就为物理内存中的其他虚拟页面腾出了空间。从本质上说，物
理内存充当了分页区的高速缓存；而所谓分页区，即从物理内存置换出来，转而存储于磁盘上的内
存页面。
缓冲区（Buffers）
新的 Buffer 类是常规 Java 类和通道之间的纽带。原始数据元素组成的固定长度数组，封装在
包含状态信息的对象中，存入缓冲区。缓冲区提供了一个会合点：通道既可提取放在缓冲区中的数
据（写），也可向缓冲区存入数据供读取（读）。此外，还有一种特殊类型的缓冲区，用于内存映
射文件。
通道（Channels）
NIO 新引入的最重要的抽象是通道的概念。Channel 对象模拟了通信连接，管道既可以是单向
的（进或出），也可以是双向的（进和出）。可以把通道想象成连接缓冲区和 I/O 服务的捷径
文件锁定和内存映射文件（File locking and memory-mapped files）
新的 FileChannel 对象包含在 java.nio.channels 软件包内，提供许多面向文件的新特
性，其中最有趣的两个是文件锁定和内存映射文件。
在多个进程协同工作的情况下，要协调各个进程对共享数据的访问，文件锁定是必不可少的工
具。
将文件映射到内存，这样在您看来，磁盘上的文件数据就像是在内存中一样。这利用了操作系
统的虚拟内存功能，无需在内存中实际保留一份文件的拷贝，就可实现文件内容的动态高速缓存。
套接字（Sockets）
套接字通道类为使用网络套接字实现交互提供了新方法。套接字通道可工作于非块模式，并可
与选择器一同使用。因此，多个套接字可实现多路传输，管理效率也比 java.net 提供的传统套
接字更高。
三个新套接字通道，即 ServerSocketChannel、SocketChannel 和 DatagramChannel
选择器（Selectors）
选择器可实现就绪性选择。Selector 类提供了确定一或多个通道当前状态的机制。使用选择
器，借助单一线程，就可对数量庞大的活动 I/O 通道实施监控和维护。
正则表达式（Regular expressions）
新增的 java.util.regex 软件包将类似 Perl 语言的正则表达式处理机制引入 Java。这一人
们期盼已久的特性有着广泛用途。
新的正则表达式 API 之所以被看成是 NIO 的组成部分，是因 JSR 51 把它与其他 NIO 特性放在
一起作了详细说明。虽然它在许多方面与 NIO 的其他组成部分缺乏平行关系，但它在文件处理等
众多领域都是极其有用的。
字符集（Character sets）
java.nio.charsets 提供了新类用于处理字符与字节流之间的映射关系。您可以对字符转
5
换映射方式进行选择，也可以自己创建映射。
磁盘I/O的示例
图中明显忽略了很多细节，仅显示了涉及到的基本步骤。
如图
注意图中用户空间和内核空间的概念。用户空间是常规进程所在区域。JVM 就是常规进程，
驻守于用户空间。用户空间是非特权区域：比如，在该区域执行的代码就不能直接访问硬件设备。
内核空间是操作系统所在区域。内核代码有特别的权力：它能与设备控制器通讯，控制着用户区域
进程的运行状态，等等。最重要的是，所有 I/O 都直接（如这里所述）或间接（见 1.4.2 小节）通
过内核空间。
当进程请求 I/O 操作的时候，它执行一个系统调用（有时称为陷阱）将控制权移交给内核。
C/C++程序员所熟知的底层函数 open( )、read( )、write( )和 close( )要做的无非就是建立和执行适当
的系统调用。当内核以这种方式被调用，它随即采取任何必要步骤，找到进程所需数据，并把数据
传送到用户空间内的指定缓冲区。内核试图对数据进行高速缓存或预读取，因此进程所需数据可能
已经在内核空间里了。如果是这样，该数据只需简单地拷贝出来即可。如果数据不在内核空间，则
进程被挂起，内核着手把数据读进内存。
看了图 1-1，您可能会觉得，把数据从内核空间拷贝到用户空间似乎有些多余。为什么不直接
让磁盘控制器把数据送到用户空间的缓冲区呢？这样做有几个问题。首先，硬件通常不能直接访问
用户空间 1。其次，像磁盘这样基于块存储的硬件设备操作的是固定大小的数据块，而用户进程请
求的可能是任意大小的或非对齐的数据块。在数据往来于用户空间与存储设备的过程中，内核负责
数据的分解、再组合工作，因此充当着中间人的角色。
发散／汇聚
许多操作系统能把组装／分解过程进行得更加高效。根据发散／汇聚的概念，进程只需一个系
统调用，就能把一连串缓冲区地址传递给操作系统。然后，内核就可以顺序填充或排干多个缓冲
区，读的时候就把数据发散到多个用户空间缓冲区，写的时候再从多个缓冲区把数据汇聚起来
这样用户进程就不必多次执行系统调用（那样做可能代价不菲），内核也可以优化数据的处理
过程，因为它已掌握待传输数据的全部信息。如果系统配有多个 CPU，甚至可以同时填充或排干
多个缓冲区。
虚拟内存
所有现代操作系统都使用虚拟内存。虚拟内存意为使用虚假（或虚拟）地址取代物理（硬件
RAM）内存地址。这样做好处颇多，总结起来可分为两大类：
1. 一个以上的虚拟地址可指向同一个物理内存地址。
2. 虚拟内存空间可大于实际可用的硬件内存。
设备控制器不能通过 DMA 直接存储到用户空间，但通过利用上面提到的第一
项，则可以达到相同效果。把内核空间地址与用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，这样，
DMA 硬件（只能访问物理内存地址）就可以填充对内核与用户空间进程同时可见的缓冲区
如图，进程虚拟内存和内核虚拟内存映射到的物理地址都一样，这样DMA写到实际的物理内存后，两个缓冲区指向的物理地址都一样，那么他们就同时能访问到数据了。
但前提条件是，内核与用户缓冲区必须
使用相同的页对齐，缓冲区的大小还必须是磁盘控制器块大小（通常为 512 字节磁盘扇区）的倍
数。操作系统把内存地址空间划分为页，即固定大小的字节组。内存页的大小总是磁盘块大小的倍
数，通常为 2 次幂（这样可简化寻址操作）。典型的内存页为 1,024、2,048 和 4,096 字节。虚拟和
物理内存页的大小总是相同的。
如上图显示了来自多个虚拟地址的虚拟内存页是如何映射到物理内
内存页面调度
为了支持虚拟内存的第二个特性（寻址空间大于物理内存），就必须进行虚拟内存分页（经常
称为交换，虽然真正的交换是在进程层面完成，而非页层面）。依照该方案，虚拟内存空间的页面
能够继续存在于外部磁盘存储，这样就为物理内存中的其他虚拟页面腾出了空间。从本质上说，物
理内存充当了分页区的高速缓存；而所谓分页区，即从物理内存置换出来，转而存储于磁盘上的内
存页面。