死磕Java之NIO与IO

向右看齐 2022-03-17 09:16 172阅读 0赞

死磕Java之NIO与IO

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当学习Java NIO与IO时，你是否会有这样的想法:什么时候使用NIO，什么使用IO呢？本篇文章将会分析两者的不同，它们的用例，以及和影响代码的设计。

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NIO与IO的区别

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下面这张表总结了Java NIO和IO的主要区别，接下来我将从下表中的不同更加细致的讲解。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><strong>IO</strong></td> 
   <td><strong>NIO</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Stream oriented</td> 
   <td>Buffer oriented</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Blocking IO</td> 
   <td>Non blocking IO</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>Selectors</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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面向流 VS 面向Buffer

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Java NIO与传统IO最大的不同是NIO为面向Buffer的，传统的IO是面向流的。

Java IO面向流意味着每次你都可以从流中读取一个或者多个字节。从流中读取多少字节完全是由程序员决定的。这些字节并不能够在任何地方缓存；这就意味着你不能从流中前后移动数据。如果真的需要移动数据，那么需要将首先将这些数据缓存在缓冲区中。

Java NIO面向Buffer稍有不同。数据被读取到buffer中，稍后将会buffer处理。只要你需要，你可以在buffer中移动数据；这给予了程序员处理时更多的灵活性。然而，你必须检查buffer中是否包含你需要处理的所有数据。并且，你需要确保当读取数据到buffer中时，你不能覆盖掉没有处理的数据。

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阻塞与非租塞

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Java IO中各种各样的流都是阻塞的，这就意味着当调用read()方法和write()方法时，线程将会阻塞直到数据被读取或者被完全的写入。在此期间，处理流的线程将不能做任何事情。

Java NIO非阻塞模式确保线程要求从channel中读取数据，仅仅直到此时channel是可用的，或者如果此时没有数据可用，就啥也不做。而不是保存阻塞直到数据可以被读取，这里线程可以可以做其他事情。

相似地，线程要求数据能被写入到channel当数据能被完全写入。这期间，线程可以做其他事情。

线程耗费其他时间在其他未阻塞的IO调用中，这期间可以处理其他channel的 IO上，这就意味着一个线程可以管理多个输入channel和输出channel。

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Selector

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Java NIO的Selectors允许单线程监视多个输入channel。你能将多个channel注册到selector中，使用单个线程去"选择"可以读数据和写数据的channel。Selector可以使单线程更加易于管理多个channel。

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NIO和IO如何影响应用程序设计

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无论你选择NIO或者IO，你的IO处理程序将会从下面几个方法影响应用程序的设计:

1.NIO或IO类的API调用

2.数据处理

3.处理数据的线程量

API调用:

使用NIO和IO的API确实调用不同。数据必须首先被 读到buffer中，然后将会被处理而不是从例如InputStr eam中一个字 节一个字节的读取。

数据处理:

当使用纯粹的Java NIO或Java IO，数据处理也被 影响。

在传统IO设计中你必须从InputStream或者Reade r一个字节一个字节的读取。假设你处理下面的文本:

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Name: Anna
    Age: 25
    Email: anna@mailserver.com
    Phone: 1234567890

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一般的IO处理程序可能如下:

![d3hfZm10PXBuZw][]

InputStream input = ... ; // get the InputStream from the client socket
    
    BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));
    
    String nameLine   = reader.readLine();
    String ageLine    = reader.readLine();
    String emailLine  = reader.readLine();
    String phoneLine  = reader.readLine();

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值得注意的是处理状态如何取决于程序怎么执行到哪 一步。换句话说，一旦reader.readLine()调用返回， 你可知道的是一行数据已经被读取了。readLine()方法 被阻塞直到一整行被读取。

正如你说见到的一样，仅仅当新的数据需要读取，每 一步你都知道数据内容。一旦执行线程处理代码的确定 数据，线程并不能倒退数据。下图表述了上述原则:

![nio-vs-io-1.png][]

NIO实现将看起来不同，这里有个简单例子:

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ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
    
    int bytesRead = inChannel.read(buffer);

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我们看到代码的第二行，将数据从Channel读到Byt eBuffer。你不能确定在buffer内部的数据是否是你需 要的，如果上述函数调用返回。你所知道的是，buffer 里含有多少字节。这使得处理有一点困难。

想象一下，当第一次读取之后，被读入到buffer的 数据有可能是半行数据。举个例子，读取的数据是"Na me:An",你能处理数据吗？显然是不能的，你需要等到 一行的数据被读入buffer中，这才使处理数据变得有意 义。

因此那么怎么知道buffer含有的数据被你处理是有 意义呢？显然，你并不知道。唯一的方式是看数据是否 被读到buffer中。结果是，你可能需要多次检查buffer 中的数据在你知道所有数据存在之前。从设计角度来 看，这显得低效率和混乱。例如:

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
    
    int bytesRead = inChannel.read(buffer);
    
    while(! bufferFull(bytesRead) ) {
        bytesRead = inChannel.read(buffer);
    }

bufferFull()方法将会记录有多少数据被读入到buf fer中，该方法返回true或者false取决于buffer是否被 填充满。换句话说，如果buffer被处理，那么buffer被 填满了。

下面是buffer被数据填充循环如下:

![nio-vs-io-2.png][]

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总结

![d3hfZm10PXBuZw][]

NIO允许你管理多个channel使用单个线程，但是解析数据的开销可能有一点复杂当从阻塞流读取数据时。

如果你需要同时管理上千开放连接，当每一个连接发送一点数据，例如一个聊天服务器，使用NIO实现可能比较有优势。相似地，如果你要保存和其他电脑的连接，例如P2P网络，使用单线程去管理你的对外连接是优势。一个线程处理多个连接可以被描述为下图:

![nio-vs-io-3.png][]

如果有很少的连接并且要求有很大的带宽，在一个时刻发送大量数据，传统的IO实现可能更适合。经典的IO实现描述如下图:

![nio-vs-io-4.png][]

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![5c70ef86-01dc-40c4-a31b-7ab4ac10c663.png][]

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[nio-vs-io-2.png]: /images/20220317/c9a24802727e4baeb8981610b1c2aab6.png
[nio-vs-io-3.png]: /images/20220317/bb31c6ec111b4b32aa8dbcc7ed203612.png
[nio-vs-io-4.png]: /images/20220317/30cbe5d2894644869555d511f7a86545.png
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