Java NIO系列教程（十一） Java NIO 与 IO

Java NIO系列教程（十一） Java NIO与IO

当学习了 Java NIO 和 IO 的 API 后，一个问题立刻涌入脑海：

我应该什么时候使用 IO，什么时候使用 NIO 呢？在本文中，我会尽可能清晰地解析 Java NIO 和 IO 的差别、它们的使用场景，以及它们如何影响您的代码设计。

下表总结了 Java NIO 和 IO 之间的主要差异，我会更详细地描述表中每部分的差别。

IO	NIO
面向流	面向缓冲
阻塞IO	非阻塞IO
无	选择器

1、面向流与面向缓冲

Java NIO 和 IO 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，直至读取全部字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能先后移动流中的数据。若是须要先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一样。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先后移动。这就增长了处理过程当中的灵活性。可是，还须要检查是否该缓冲区中包含全部您须要处理的数据。并且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里还没有处理的数据。

2、阻塞与非阻塞 IO

Java IO 的各类流是阻塞的。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，或数据彻底写入。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，可是它仅能获得目前可用的数据，若是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，因此直至数据变的能够读取以前，该线程能够继续作其余的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不须要等待它彻底写入，这个线程同时能够去作别的事情。 线程一般将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其它通道上执行 IO 操做，因此一个单独的线程如今能够管理多个输入和输出通道（channel）。

(1) 阻塞和非阻塞

• 阻塞概念：当应用程序访问数据时，若是网络传输数据很慢，那么程序就一直等待，直到传输完毕为止。

• 非阻塞概念：当应用程序访问数据缓冲区时，若是没有数据则直接返回，无需等待。

注意：BIO 为同步阻塞形式，NIO 为同步非阻塞形式，NIO 并无实现异步。在 JDK 1.7 后，升级了 NIO 库，支持异步非阻塞通讯模型，即 NIO2.0(AIO)。

(2) 同步和异步

同步和异步通常是基于应用程序和操做系统处理 IO 事件所采用的方式。同步是应用程序直接参与 IO 读写。异步是全部的 IO 读写都交给操做系统处理，应用程序只须要等待通知。

• 同步时，应用程序会直接参与 IO 读写操做，而且咱们的应用程序会直接阻塞到某一个方法上，直到数据准备就绪；或者采用轮询的策略实时检查数据的就绪状态，若是就绪则获取数据。

• 异步时，全部的 IO 读写操做交给操做系统处理，与咱们的应用程序没有直接关系，咱们程序不须要关心 IO 读写，当操做系统完成 IO 读写操做时，会给咱们应用程序发送，应用程序直接拿走数据便可。

3、选择器（Selectors）

Java NIO 的选择器容许一个单独的线程来监视多个输入通道，你能够注册多个通道使用一个选择器，而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。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。

4、NIO 和 IO 如何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如下几个方面：

• 对 NIO 或 IO 类的API调用。
• 数据处理。
• 用来处理数据的线程数。

4.1 API 调用

固然，使用 NIO 的 API 调用时看起来与使用 IO 时有所不一样，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。

4.2 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，咱们从 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

该文本行的流能够这样处理：

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，你就知道确定文本行就已读完， readline() 阻塞直到整行读完，这就是缘由。你也知道此行包含名称；一样，第二个 readline() 调用返回的时候，你知道这行包含年龄等。 正如你能够看到，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：

而一个 NIO 的实现会有所不一样，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，你不知道你所需的全部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，须要等待，直到整行数据读入缓存，在此以前，对数据的任何处理毫无心义。

因此，你怎么知道是否该缓冲区包含足够的数据能够处理呢？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，在你知道全部数据都在缓冲区里以前，你必须检查几回缓冲区的数据。这不只效率低下，并且可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，若是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() 方法被调用以前状态相同。若是没有，下一个读入缓冲区的数据可能没法读到正确的位置。这是不可能的，但倒是须要注意的又一问题。

若是缓冲区已满，它能够被处理。若是它不满，而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。可是许多状况下并不是如此。下图展现了“缓冲区数据循环就绪”：

4.3 用来处理数据的线程数

NIO 可以让您只使用一个（或几个）单线程管理多个通道（网络链接或文件），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。

若是须要管理同时打开的成千上万个链接，这些链接每次只是发送少许的数据，例如聊天服务器，实现 NIO 的服务器多是一个优点。一样，若是你须要维持许多打开的链接到其余计算机上，如 P2P 网络中，使用一个单独的线程来管理你全部出站链接，多是一个优点。一个线程多个链接的设计方案以下图所示：

若是你有少许的链接使用很是高的带宽，一次发送大量的数据，也许典型的IO服务器实现可能很是契合。下图说明了一个典型的IO服务器设计：

Java NIO 系列：

1. Java NIO系列教程（一） Java NIO 概述
2. Java NIO系列教程（二） Channel
3. Java NIO系列教程（三） Buffer
4. Java NIO系列教程（四） Scatter 和 Gather
5. Java NIO系列教程（五） 通道之间的数据传输
6. Java NIO系列教程（六） Selector
7. Java NIO系列教程（七） FileChannel
8. Java NIO系列教程（八） SocketChannel
9. Java NIO系列教程（九） ServerSocketChannel
10. Java NIO系列教程（十） DatagramChannel
11. Java NIO系列教程（十一） Java NIO 与 IO
12. Java NIO系列教程（十二） Pipe
13. Java NIO系列教程（十三） Path
14. Java NIO系列教程（十四） Files

---

天天用心记录一点点。内容也许不重要，但习惯很重要！