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Java NIO与IO

2024-07-20 11:22:36   225人阅读

当学习了Java NIO和IO的API后，一个问题立即涌入脑海：

我应该何时使用IO，何时使用NIO呢？在本文中，我会尽量清晰地解析Java NIO和IO的差异、它们的使用场景，以及它们怎样影响您的代码设计。

Java NIO和IO的主要差别

下表总结了Java NIO和IO之间的主要区别，我会更具体地描写叙述表中每部分的差异。

IO                NIO
面向流            面向缓冲
堵塞IO            非堵塞IO
无                选择器

面向流与面向缓冲

Java NIO和IO之间第一个最大的差别是，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，直至读取全部字节，它们没有被缓存在不论什么地方。此外，它不能前后移动流中的数据。假设须要前后移动从流中读取的数据，须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，须要时可在缓冲区中前后移动。这就添加了处理过程中的灵活性。可是，还须要检查是否该缓冲区中包括全部您须要处理的数据。并且，需确保当很多其它的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

堵塞与非堵塞IO

Java IO的各种流是堵塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被堵塞，直到有一些数据被读取，或数据全然写入。该线程在此期间不能再干不论什么事情了。 Java NIO的非堵塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，可是它仅能得到眼下可用的数据，假设眼下没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程堵塞，所以直至数据变的能够读取之前，该线程能够继续做其他的事情。 非堵塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不须要等待它全然写入，这个线程同一时候能够去做别的事情。 线程通常将非堵塞IO的空暇时间用于在其他通道上运行IO操作，所以一个单独的线程如今能够管理多个输入和输出通道（channel）。

选择器（Selectors）

Java NIO的选择器同意一个单独的线程来监视多个输入通道，你能够注冊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：这些通道里已经有能够处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这样的选择机制，使得一个单独的线程非常easy来管理多个通道。

NIO和IO怎样影响应用程序的设计

不管您选择IO或NIO工具箱，可能会影响您应用程序设计的下面几个方面：

  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。

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，由于并非仅从一个InputStream逐字节读取，而是数据必须先读入缓冲区再处理。

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。如果你正在处理一基于行的文本数据流，比如：

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

该文本行的流能够这样处理：
InputStream input = … ; // get the InputStream from the client socket

1BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));
2 
3String nameLine   = reader.readLine();
4String ageLine    = reader.readLine();
5String emailLine  = reader.readLine();
6String 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()堵塞直到整行读完，这就是原因。你也知道此行包括名称；相同，第二个readline()调用返回的时候，你知道这行包括年龄等。 正如你能够看到，该处理程序仅在有新数据读入时执行，并知道每步的数据是什么。一旦正在执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：（Java IO: 从一个堵塞的流中读数据） 而一个NIO的实现会有所不同，以下是一个简单的样例：

1ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
2 
3int bytesRead = inChannel.read(buffer);

注意第二行，从通道读取字节到ByteBuffer。当这种方法调用返回时，你不知道你所需的全部数据是否在缓冲区内。你所知道的是，该缓冲区包括一些字节，这使得处理有点困难。
如果第一次 read(buffer)调用后，读入缓冲区的数据仅仅有半行，比如，“Name:An”，你能处理数据吗？显然不能，须要等待，直到整行数据读入缓存，在此之前，对数据的不论什么处理毫无意义。

所以，你怎么知道是否该缓冲区包括足够的数据能够处理呢？好了，你不知道。发现的方法仅仅能查看缓冲区中的数据。其结果是，在你知道全部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，并且能够使程序设计方案杂乱不堪。比如：

1ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
2 
3int bytesRead = inChannel.read(buffer);
4 
5while(! bufferFull(bytesRead) ) {
6 
7bytesRead = inChannel.read(buffer);
8 
9}

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，假设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同样。假设没有，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，但却是须要注意的又一问题。

假设缓冲区已满，它能够被处理。假设它不满，而且在你的实际案例中有意义，你也许能处理当中的部分数据。可是很多情况下并不是如此。下图展示了“缓冲区数据循环就绪”：

Java NIO:从一个通道里读数据，直到全部的数据都读到缓冲区里.

3) 用来处理数据的线程数

NIO可让您仅仅使用一个（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堵塞流中读取数据更复杂。

假设须要管理同一时候打开的成千上万个连接，这些连接每次仅仅是发送少量的数据，比如聊天server，实现NIO的server可能是一个优势。相同，假设你须要维持很多打开的连接到其它计算机上，如P2P网络中，使用一个单独的线程来管理你全部出站连接，可能是一个优势。一个线程多个连接的设计方案例如以下图所看到的：

Java NIO: 单线程管理多个连接

假设你有少量的连接使用很高的带宽，一次发送大量的数据，或许典型的IOserver实现可能很契合。下图说明了一个典型的IOserver设计：

Java IO: 一个典型的IOserver设计- 一个连接通过一个线

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