Java NIO與IO 區(qū)別

marser 發(fā)布于2019-08-16 13:26 / 2941人閱讀

摘要：面向流面向緩沖阻塞非阻塞無選擇器面向流與面向緩沖和之間第一個最大的區(qū)別是，是面向流的，是面向緩沖區(qū)的。換句話說，如果緩沖區(qū)準(zhǔn)備好被處理，那么表示緩沖區(qū)滿了。方法掃描緩沖區(qū)，但必須保持在方法被調(diào)用之前狀態(tài)相同。

當(dāng)學(xué)習(xí)了Java NIO和IO的API后，一個問題馬上涌入腦海：

我應(yīng)該何時使用IO，何時使用NIO呢？在本文中，我會盡量清晰地解析Java NIO和IO的差異、它們的使用場景，以及它們?nèi)绾斡绊懩拇a設(shè)計。

Java NIO和IO的主要區(qū)別

下表總結(jié)了Java NIO和IO之間的主要差別，我會更詳細(xì)地描述表中每部分的差異。

IO NIO
面向流面向緩沖
阻塞IO 非阻塞IO
無選擇器

面向流與面向緩沖

Java NIO和IO之間第一個最大的區(qū)別是，IO是面向流的，NIO是面向緩沖區(qū)的。 Java IO面向流意味著每次從流中讀一個或多個字節(jié)，直至讀取所有字節(jié)，它們沒有被緩存在任何地方。此外，它不能前后移動流中的數(shù)據(jù)。如果需要前后移動從流中讀取的數(shù)據(jù)，需要先將它緩存到一個緩沖區(qū)。 Java NIO的緩沖導(dǎo)向方法略有不同。數(shù)據(jù)讀取到一個它稍后處理的緩沖區(qū)，需要時可在緩沖區(qū)中前后移動。這就增加了處理過程中的靈活性。但是，還需要檢查是否該緩沖區(qū)中包含所有您需要處理的數(shù)據(jù)。而且，需確保當(dāng)更多的數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)時，不要覆蓋緩沖區(qū)里尚未處理的數(shù)據(jù)。

標(biāo)題文字

Java IO的各種流是阻塞的。這意味著，當(dāng)一個線程調(diào)用read() 或 write()時，該線程被阻塞，直到有一些數(shù)據(jù)被讀取，或數(shù)據(jù)完全寫入。該線程在此期間不能再干任何事情了。 Java NIO的非阻塞模式，使一個線程從某通道發(fā)送請求讀取數(shù)據(jù)，但是它僅能得到目前可用的數(shù)據(jù)，如果目前沒有數(shù)據(jù)可用時，就什么都不會獲取。而不是保持線程阻塞，所以直至數(shù)據(jù)變的可以讀取之前，該線程可以繼續(xù)做其他的事情。非阻塞寫也是如此。一個線程請求寫入一些數(shù)據(jù)到某通道，但不需要等待它完全寫入，這個線程同時可以去做別的事情。線程通常將非阻塞IO的空閑時間用于在其它通道上執(zhí)行IO操作，所以一個多帶帶的線程現(xiàn)在可以管理多個輸入和輸出通道（channel）。

選擇器（Selectors）

Java NIO的選擇器允許一個多帶帶的線程來監(jiān)視多個輸入通道，你可以注冊多個通道使用一個選擇器，然后使用一個多帶帶的線程來“選擇”通道：這些通道里已經(jīng)有可以處理的輸入，或者選擇已準(zhǔn)備寫入的通道。這種選擇機(jī)制，使得一個多帶帶的線程很容易來管理多個通道。

NIO和IO如何影響應(yīng)用程序的設(shè)計

無論您選擇IO或NIO工具箱，可能會影響您應(yīng)用程序設(shè)計的以下幾個方面：

對NIO或IO類的API調(diào)用。
數(shù)據(jù)處理。
用來處理數(shù)據(jù)的線程數(shù)。
API調(diào)用
當(dāng)然，使用NIO的API調(diào)用時看起來與使用IO時有所不同，但這并不意外，因為并不是僅從一個InputStream逐字節(jié)讀取，而是數(shù)據(jù)必須先讀入緩沖區(qū)再處理。

數(shù)據(jù)處理
使用純粹的NIO設(shè)計相較IO設(shè)計，數(shù)據(jù)處理也受到影響。

在IO設(shè)計中，我們從InputStream或 Reader逐字節(jié)讀取數(shù)據(jù)。假設(shè)你正在處理一基于行的文本數(shù)據(jù)流，例如：

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

該文本行的流可以這樣處理：

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();

請注意處理狀態(tài)由程序執(zhí)行多久決定。換句話說，一旦reader.readLine()方法返回，你就知道肯定文本行就已讀完， readline()阻塞直到整行讀完，這就是原因。你也知道此行包含名稱；同樣，第二個readline()調(diào)用返回的時候，你知道這行包含年齡等。正如你可以看到，該處理程序僅在有新數(shù)據(jù)讀入時運(yùn)行，并知道每步的數(shù)據(jù)是什么。一旦正在運(yùn)行的線程已處理過讀入的某些數(shù)據(jù)，該線程不會再回退數(shù)據(jù)（大多如此）。下圖也說明了這條原則：

（Java IO: 從一個阻塞的流中讀數(shù)據(jù)）而一個NIO的實現(xiàn)會有所不同，下面是一個簡單的例子：

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

注意第二行，從通道讀取字節(jié)到ByteBuffer。當(dāng)這個方法調(diào)用返回時，你不知道你所需的所有數(shù)據(jù)是否在緩沖區(qū)內(nèi)。你所知道的是，該緩沖區(qū)包含一些字節(jié)，這使得處理有點困難。
假設(shè)第一次 read(buffer)調(diào)用后，讀入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)只有半行，例如，“Name:An”，你能處理數(shù)據(jù)嗎？顯然不能，需要等待，直到整行數(shù)據(jù)讀入緩存，在此之前，對數(shù)據(jù)的任何處理毫無意義。

所以，你怎么知道是否該緩沖區(qū)包含足夠的數(shù)據(jù)可以處理呢？好了，你不知道。發(fā)現(xiàn)的方法只能查看緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。其結(jié)果是，在你知道所有數(shù)據(jù)都在緩沖區(qū)里之前，你必須檢查幾次緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。這不僅效率低下，而且可以使程序設(shè)計方案雜亂不堪。例如：

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

bufferFull()方法必須跟蹤有多少數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)，并返回真或假，這取決于緩沖區(qū)是否已滿。換句話說，如果緩沖區(qū)準(zhǔn)備好被處理，那么表示緩沖區(qū)滿了。

bufferFull()方法掃描緩沖區(qū)，但必須保持在bufferFull（）方法被調(diào)用之前狀態(tài)相同。如果沒有，下一個讀入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)可能無法讀到正確的位置。這是不可能的，但卻是需要注意的又一問題。

如果緩沖區(qū)已滿，它可以被處理。如果它不滿，并且在你的實際案例中有意義，你或許能處理其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)。但是許多情況下并非如此。下圖展示了“緩沖區(qū)數(shù)據(jù)循環(huán)就緒”：

Java NIO:從一個通道里讀數(shù)據(jù)，直到所有的數(shù)據(jù)都讀到緩沖區(qū)里.

3) 用來處理數(shù)據(jù)的線程數(shù)

NIO可讓您只使用一個（或幾個）單線程管理多個通道（網(wǎng)絡(luò)連接或文件），但付出的代價是解析數(shù)據(jù)可能會比從一個阻塞流中讀取數(shù)據(jù)更復(fù)雜。

如果需要管理同時打開的成千上萬個連接，這些連接每次只是發(fā)送少量的數(shù)據(jù)，例如聊天服務(wù)器，實現(xiàn)NIO的服務(wù)器可能是一個優(yōu)勢。同樣，如果你需要維持許多打開的連接到其他計算機(jī)上，如P2P網(wǎng)絡(luò)中，使用一個多帶帶的線程來管理你所有出站連接，可能是一個優(yōu)勢。一個線程多個連接的設(shè)計方案如下圖所示：

Java NIO: 單線程管理多個連接

如果你有少量的連接使用非常高的帶寬，一次發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，也許典型的IO服務(wù)器實現(xiàn)可能非常契合。下圖說明了一個典型的IO服務(wù)器設(shè)計：

Java IO: 一個典型的IO服務(wù)器設(shè)計- 一個連接通過一個線程處理.