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Java NIO与IO的区别和比较

2024-07-24 07:35:10 225人阅读

Java NIO与IO的区别和比较

导读
J2SE1.4以上版本中发布了全新的I/O类库。本文将通过一些实例来简单介绍NIO库提供的一些新特性：非阻塞I/O，字符转换，缓冲以及通道。

一. 介绍NIO

NIO包（java.nio.*）引入了四个关键的抽象数据类型，它们共同解决传统的I/O类中的一些问题。

Buffer：它是包含数据且用于读写的线形表结构。其中还提供了一个特殊类用于内存映射文件的I/O操作。
Charset：它提供Unicode字符串影射到字节序列以及逆影射的操作。
Channels：包含socket，file和pipe三种管道，它实际上是双向交流的通道。
Selector：它将多元异步I/O操作集中到一个或多个线程中（它可以被看成是Unix中select（）函数或Win32中WaitForSingleEvent（）函数的面向对象版本）。

二. 回顾传统

　　在介绍NIO之前，有必要了解传统的I/O操作的方式。以网络应用为例，传统方式需要监听一个ServerSocket，接受请求的连接为其提供服务（服务通常包括了处理请求并发送响应）图一是服务器的生命周期图，其中标有粗黑线条的部分表明会发生I/O阻塞。

图一

//可以分析创建服务器的每个具体步骤。首先创建ServerSocketServerSocket server=new ServerSocket（10000）；//然后接受新的连接请求 Socket newConnection=server.accept（）；//对于accept方法的调用将造成阻塞，直到ServerSocket接受到一个连接请求为止。一旦连接请求被接受，服务器可以读客户socket中的请求。InputStream in = newConnection.getInputStream();InputStreamReader reader = new InputStreamReader(in);BufferedReader buffer = new BufferedReader(reader);Request request = new Request();while(!request.isComplete()) {String line = buffer.readLine();request.addLine(line);

　　这样的操作有两个问题，首先BufferedReader类的readLine（）方法在其缓冲区未满时会造成线程阻塞，只有一定数据填满了缓冲区或者客户关闭了套接字，方法才会返回。其次，它回产生大量的垃圾，BufferedReader创建了缓冲区来从客户套接字读入数据，但是同样创建了一些字符串存储这些数据。虽然BufferedReader内部提供了StringBuffer处理这一问题，但是所有的String很快变成了垃圾需要回收。
同样的问题在发送响应代码中也存在

Response response = request.generateResponse();OutputStream out = newConnection.getOutputStream();InputStream in = response.getInputStream()；int ch；while(-1 != (ch = in.read())) {out.write(ch);}
newConnection.close();

　　类似的，读写操作被阻塞而且向流中一次写入一个字符会造成效率低下，所以应该使用缓冲区，但是一旦使用缓冲，流又会产生更多的垃圾。
传统的解决方法
　　通常在Java中处理阻塞I/O要用到线程（大量的线程）。一般是实现一个线程池用来处理请求，如图二

图二

　　线程使得服务器可以处理多个连接，但是它们也同样引发了许多问题。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些CPU时间，耗费很大，而且很多时间是浪费在阻塞的I/O操作上，没有有效的利用CPU。

三. 新I/O

1． Buffer　　

　　传统的I/O不断的浪费对象资源（通常是String）。新I/O通过使用Buffer读写数据避免了资源浪费。Buffer对象是线性的，有序的数据集合，它根据其类别只包含唯一的数据类型。

java.nio.Buffer //类描述 java.nio.ByteBuffer //包含字节类型。 可以从ReadableByteChannel中读在 WritableByteChannel中写 java.nio.MappedByteBuffer  // 包含字节类型，直接在内存某一区域映射 java.nio.CharBuffer //包含字符类型，不能写入通道 java.nio.DoubleBuffer //包含double类型，不能写入通道 java.nio.FloatBuffer //包含float类型 java.nio.IntBuffer //包含int类型 java.nio.LongBuffer //包含long类型 java.nio.ShortBuffer //包含short类型

　　可以通过调用allocate(int capacity)方法或者allocateDirect(int capacity)方法分配一个Buffer。特别的，你可以创建MappedBytesBuffer通过调用FileChannel.map(int mode,long position,int size)。直接（direct）buffer在内存中分配一段连续的块并使用本地访问方法读写数据。非直接(nondirect)buffer通过使用Java中的数组访问代码读写数据。有时候必须使用非直接缓冲例如使用任何的wrap方法（如ByteBuffer.wrap(byte[])）在Java数组基础上创建buffer。

2．字符编码

　　向ByteBuffer中存放数据涉及到两个问题：字节的顺序和字符转换。ByteBuffer内部通过ByteOrder类处理了字节顺序问题，但是并没有处理字符转换。事实上，ByteBuffer没有提供方法读写String。
Java.nio.charset.Charset处理了字符转换问题。它通过构造CharsetEncoder和CharsetDecoder将字符序列转换成字节和逆转换。

3．通道(Channel)　　

　　你可能注意到现有的java.io类中没有一个能够读写Buffer类型，所以NIO中提供了Channel类来读写Buffer。通道可以认为是一种连接，可以是到特定设备，程序或者是网络的连接。通道的类等级结构图如下

图三

　　图中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分别用于读写。
　　GatheringByteChannel可以从使用一次将多个Buffer中的数据写入通道，相反的，ScatteringByteChannel则可以一次将数据从通道读入多个Buffer中。你还可以设置通道使其为阻塞或非阻塞I/O操作服务。
　　为了使通道能够同传统I/O类相容，Channel类提供了静态方法创建Stream或Reader

4． Selector

　　在过去的阻塞I/O中，我们一般知道什么时候可以向stream中读或写，因为方法调用直到stream准备好时返回。但是使用非阻塞通道，我们需要一些方法来知道什么时候通道准备好了。在NIO包中，设计Selector就是为了这个目的。SelectableChannel可以注册特定的事件，而不是在事件发生时通知应用，通道跟踪事件。然后，当应用调用Selector上的任意一个selection方法时，它查看注册了的通道看是否有任何感兴趣的事件发生。图四是selector和两个已注册的通道的例子

　　并不是所有的通道都支持所有的操作。SelectionKey类定义了所有可能的操作位，将要用两次。首先，当应用调用SelectableChannel.register(Selector sel,int op)方法注册通道时，它将所需操作作为第二个参数传递到方法中。然后，一旦SelectionKey被选中了，SelectionKey的readyOps()方法返回所有通道支持操作的数位的和。SelectableChannel的validOps方法返回每个通道允许的操作。注册通道不支持的操作将引发IllegalArgumentException异常。下表列出了SelectableChannel子类所支持的操作。

　　IllegalArgumentException异常。下表列出了SelectableChannel子类所支持的操作。

ServerSocketChannel OP_ACCEPT SocketChannel OP_CONNECT, OP_READ, OP_WRITE DatagramChannel OP_READ, OP_WRITE Pipe.SourceChannel OP_READ Pipe.SinkChannel OP_WRITE

四. 举例说明

1．简单网页内容下载

　　这个例子非常简单，类SocketChannelReader使用SocketChannel来下载特定网页的HTML内容。

import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.SocketChannel;import java.nio.charset.Charset;import java.net.InetSocketAddress;import java.io.IOException;public class SocketChannelReader {    private Charset charset = Charset.forName("UTF-8");// 创建UTF-8字符集    private SocketChannel channel;    public void getHTMLContent() {        try {            connect();            sendRequest();            readResponse();        } catch (IOException e) {            System.err.println(e.toString());        } finally {            if (channel != null) {                try {                    channel.close();                } catch (IOException e) {                }            }        }    }    private void connect() throws IOException {// 连接到CSDN        InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(                "www.csdn.net", 80);        channel = SocketChannel.open(socketAddress);        // 使用工厂方法open创建一个channel并将它连接到指定地址上        // 相当与SocketChannel.open().connect(socketAddress);调用    }    private void sendRequest() throws IOException {        channel.write(charset.encode("GET " + "/document" + "\r\n\r\n"));// 发送GET请求到CSDN的文档中心        // 使用channel.write方法，它需要CharByte类型的参数，使用        // Charset.encode(String)方法转换字符串。    }    private void readResponse() throws IOException {// 读取应答        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 创建1024字节的缓冲        while (channel.read(buffer) != -1) {            buffer.flip();// flip方法在读缓冲区字节操作之前调用。            System.out.println(charset.decode(buffer));            // 使用Charset.decode方法将字节转换为字符串            buffer.clear();// 清空缓冲        }    }    public static void main(String[] args) {        try {            new SocketChannelReader().getHTMLContent();        } catch (Exception e) {            e.printStackTrace();        }    }}

2．简单的加法服务器和客户机

服务器代码

package mjorcen.nio.test;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.IntBuffer;import java.nio.channels.ServerSocketChannel;import java.nio.channels.SocketChannel;import java.net.InetSocketAddress;import java.io.IOException;/** * SumServer.java *  *  * Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003 *  * @author starchu1981 * @version 1.0 */public class SumServer {    private ByteBuffer _buffer = ByteBuffer.allocate(8);    private IntBuffer _intBuffer = _buffer.asIntBuffer();    private SocketChannel _clientChannel = null;    private ServerSocketChannel _serverChannel = null;    public void start() {        try {            openChannel();            waitForConnection();        } catch (IOException e) {            System.err.println(e.toString());        }    }    private void openChannel() throws IOException {        _serverChannel = ServerSocketChannel.open();        _serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000));        System.out.println("服务器通道已经打开");    }    private void waitForConnection() throws IOException {        while (true) {            _clientChannel = _serverChannel.accept();            if (_clientChannel != null) {                System.out.println("新的连接加入");                processRequest();                _clientChannel.close();            }        }    }    private void processRequest() throws IOException {        _buffer.clear();        _clientChannel.read(_buffer);        int result = _intBuffer.get(0) + _intBuffer.get(1);        _buffer.flip();        _buffer.clear();        _intBuffer.put(0, result);        _clientChannel.write(_buffer);    }    public static void main(String[] args) {        new SumServer().start();    }} // SumServer

客户代码

package mjorcen.nio.test;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.IntBuffer;import java.nio.channels.SocketChannel;import java.net.InetSocketAddress;import java.io.IOException;/** * SumClient.java *  *  * Created: Thu Nov 06 11:26:06 2003 *  * @author starchu1981 * @version 1.0 */public class SumClient {    private ByteBuffer _buffer = ByteBuffer.allocate(8);    private IntBuffer _intBuffer;    private SocketChannel _channel;    public SumClient() {        _intBuffer = _buffer.asIntBuffer();    } // SumClient constructor    public int getSum(int first, int second) {        int result = 0;        try {            _channel = connect();            sendSumRequest(first, second);            result = receiveResponse();        } catch (IOException e) {            System.err.println(e.toString());        } finally {            if (_channel != null) {                try {                    _channel.close();                } catch (IOException e) {                }            }        }        return result;    }    private SocketChannel connect() throws IOException {        InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress("localhost",                10000);        return SocketChannel.open(socketAddress);    }    private void sendSumRequest(int first, int second) throws IOException {        _buffer.clear();        _intBuffer.put(0, first);        _intBuffer.put(1, second);        _channel.write(_buffer);        System.out.println("发送加法请求 " + first + "+" + second);    }    private int receiveResponse() throws IOException {        _buffer.clear();        _channel.read(_buffer);        return _intBuffer.get(0);    }    public static void main(String[] args) {        SumClient sumClient = new SumClient();        System.out.println("加法结果为 :" + sumClient.getSum(100, 324));    }} // SumClient

3．非阻塞的加法服务器
首先在openChannel方法中加入语句

_serverChannel.configureBlocking(false);//设置成为非阻塞模式

重写WaitForConnection方法的代码如下，使用非阻塞方式 (这里我稍微改了下,不知道对不对, 原来博主的跑不了,)

private void waitForConnection() throws IOException {        Selector acceptSelector = SelectorProvider.provider().openSelector();        /*         * 在服务器套接字上注册selector并设置为接受accept方法的通知。         * 这就告诉Selector，套接字想要在accept操作发生时被放在ready表 上，因此，允许多元非阻塞I/O发生。         */        SelectionKey acceptKey = _serverChannel.register(acceptSelector,                SelectionKey.OP_ACCEPT);        int keysAdded = 0;        /* select方法在任何上面注册了的操作发生时返回 */        while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) {            // 某客户已经准备好可以进行I/O操作了，获取其ready键集合            Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys();            Iterator i = readyKeys.iterator();            // 遍历ready键集合，并处理加法请求            while (i.hasNext()) {                SelectionKey sk = (SelectionKey) i.next();                i.remove();                ServerSocketChannel nextReady = (ServerSocketChannel) sk                        .channel();                // 接受加法请求并处理它                _clientChannel = nextReady.accept().socket().getChannel();                processRequest();                _clientChannel.close();            }        }    }

服务端整体改完之后代码:

package mjorcen.nio.test;import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.net.Socket;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.IntBuffer;import java.nio.channels.SelectableChannel;import java.nio.channels.SelectionKey;import java.nio.channels.Selector;import java.nio.channels.ServerSocketChannel;import java.nio.channels.SocketChannel;import java.nio.channels.spi.SelectorProvider;import java.util.Iterator;import java.util.Set;/** * SumServer.java *  *  * Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003 *  * @author starchu1981 * @version 1.0 */public class SumServer {    private ByteBuffer _buffer = ByteBuffer.allocate(8);    private IntBuffer _intBuffer = _buffer.asIntBuffer();    private SocketChannel _clientChannel = null;    private ServerSocketChannel _serverChannel = null;    public void start() {        try {            openChannel();            waitForConnection();        } catch (IOException e) {            System.err.println(e.toString());        }    }    private void openChannel() throws IOException {        _serverChannel = ServerSocketChannel.open();        _serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000));        _serverChannel.configureBlocking(false);// 设置成为非阻塞模式        System.out.println("服务器通道已经打开");    }    private void waitForConnection() throws IOException {        Selector acceptSelector = SelectorProvider.provider().openSelector();        /*         * 在服务器套接字上注册selector并设置为接受accept方法的通知。         * 这就告诉Selector，套接字想要在accept操作发生时被放在ready表 上，因此，允许多元非阻塞I/O发生。         */        SelectionKey acceptKey = _serverChannel.register(acceptSelector,                SelectionKey.OP_ACCEPT);        int keysAdded = 0;        /* select方法在任何上面注册了的操作发生时返回 */        while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) {            // 某客户已经准备好可以进行I/O操作了，获取其ready键集合            Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys();            Iterator i = readyKeys.iterator();            // 遍历ready键集合，并处理加法请求            while (i.hasNext()) {                SelectionKey sk = (SelectionKey) i.next();                i.remove();                ServerSocketChannel nextReady = (ServerSocketChannel) sk                        .channel();                // 接受加法请求并处理它                _clientChannel = nextReady.accept().socket().getChannel();                processRequest();                _clientChannel.close();            }        }    }    private void processRequest() throws IOException {        _buffer.clear();        _clientChannel.read(_buffer);        int result = _intBuffer.get(0) + _intBuffer.get(1);        _buffer.flip();        _buffer.clear();        _intBuffer.put(0, result);        _clientChannel.write(_buffer);    }    public static void main(String[] args) {        new SumServer().start();    }} // SumServer

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