Java基础之IO与NIO

男娘i 2022-05-20 05:09 216阅读 0赞

# 一、概念 #

NIO即New IO，这个库是在JDK1.4中才引入的。NIO和IO有相同的作用和目的，但实现方式不同，NIO主要用到的是块，所以NIO的效率要比IO高很多。在Java API中提供了两套NIO，一套是针对标准输入输出NIO，另一套就是网络编程NIO。

# 二、NIO和IO的主要区别 #

下表总结了Java IO和NIO之间的主要区别：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>IO</th> 
   <th align="center">NIO</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>面向流</td> 
   <td align="center">面向缓冲</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>阻塞IO</td> 
   <td align="center">非阻塞IO</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>无</td> 
   <td align="center">选择器</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 1、面向流与面向缓冲 ##

Java IO和NIO之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。Java NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

## 2、阻塞与非阻塞IO ##

Java IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

**举个不太恰当的例子：**

IO：老板叫员工A去实现功能a，A把a实现后，告诉老板，老板再叫员工B去实现功能b

NIO：老板叫员工A去实现功能a，但他只需要知道员工A去实现a了，并不需要知道进度，接着老板就直接叫员工B去实现功能b了，等到后续需要集成的时候再检查两个功能是否完成

## 3、选择器（Selectors） ##

Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。

# 三、NIO和IO如何影响应用程序的设计 #

无论您选择IO或NIO工具箱，可能会影响您应用程序设计的以下几个方面：

1.  对NIO或IO类的API调用。
2.  数据处理。
3.  用来处理数据的线程数。

## 1、API调用 ##

当然，使用NIO的API调用时看起来与使用IO时有所不同，但这并不意外，因为并不是仅从一个`InputStream`逐字节读取，而是数据必须先读入缓冲区再处理。

## 2、数据处理 ##

使用纯粹的NIO设计相较IO设计，数据处理也受到影响。

在IO设计中，我们从`InputStream`或`Reader`逐字节读取数据。假设你正在处理一基于行的文本数据流，例如：

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

该文本行的流可以这样处理：

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();

请注意处理状态由程序执行多久决定。换句话说，一旦`reader.readLine()`方法返回，你就知道肯定文本行就已读完， `readline()`阻塞直到整行读完，这就是原因。你也知道此行包含名称；同样，第二个`readline()`调用返回的时候，你知道这行包含年龄等。 正如你可以看到，该处理程序仅在有新数据读入时运行，并知道每步的数据是什么。一旦正在运行的线程已处理过读入的某些数据，该线程不会再回退数据（大多如此）。下图也说明了这条原则：  
![这里写图片描述][70]

而一个NIO的实现会有所不同，下面是一个简单的例子：

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

注意第二行，从通道读取字节到ByteBuffer。当这个方法调用返回时，你不知道你所需的所有数据是否在缓冲区内。你所知道的是，该缓冲区包含一些字节，这使得处理有点困难。假设第一次 read(buffer)调用后，读入缓冲区的数据只有半行，例如，“Name:An”，你能处理数据吗？显然不能，需要等待，直到整行数据读入缓存，在此之前，对数据的任何处理毫无意义。所以，你怎么知道是否该缓冲区包含足够的数据可以处理呢？好了，你不知道。发现的方法只能查看缓冲区中的数据。其结果是，在你知道所有数据都在缓冲区里之前，你必须检查几次缓冲区的数据。这不仅效率低下，而且可以使程序设计方案杂乱不堪。例如：

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

`bufferFull()`方法必须跟踪有多少数据读入缓冲区，并返回真或假，这取决于缓冲区是否已满。换句话说，如果缓冲区准备好被处理，那么表示缓冲区满了。

`bufferFull()`方法扫描缓冲区，但必须保持在`bufferFull()`方法被调用之前状态相同。如果没有，下一个读入缓冲区的数据可能无法读到正确的位置。这是不可能的，但却是需要注意的又一问题。

如果缓冲区已满，它可以被处理。如果它不满，并且在你的实际案例中有意义，你或许能处理其中的部分数据。但是许多情况下并非如此。下图展示了“缓冲区数据循环就绪”：  
![这里写图片描述][70 1]

# 四、总结 #

NIO可让您只使用一个（或几个）单线程管理多个通道（网络连接或文件），但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。

如果需要管理同时打开的成千上万个连接，这些连接每次只是发送少量的数据，例如聊天服务器，实现NIO的服务器可能是一个优势。同样，如果你需要维持许多打开的连接到其他计算机上，如P2P网络中，使用一个单独的线程来管理你所有出站连接，可能是一个优势。一个线程多个连接的设计方案如下图所示：  
![这里写图片描述][70 2]

Java NIO: 单线程管理多个连接

如果你有少量的连接使用非常高的带宽，一次发送大量的数据，也许典型的IO服务器实现可能非常契合。下图说明了一个典型的IO服务器设计：  
![这里写图片描述][70 3]

Java IO: 一个典型的IO服务器设计- 一个连接通过一个线程处理.

[70]: /images/20220520/3573051d95384fc6b7c0adf0454ed184.png
[70 1]: /images/20220520/673f31d8cf9148d58a089791f6470027.png
[70 2]: /images/20220520/94c6521e61b24ff198a1d32610b9d2c3.png
[70 3]: /images/20220520/c0517c070798484ebbdd6839e9304194.png