Java NIO与IO的区别和比较

Posted 2022-09-20 是温度呀

传统的socket IO中，需要为每个连接创建一个线程，当并发的连接数量非常巨大时，线程所占用的栈内存和CPU线程切换的开销将非常巨大。使用NIO，不再需要为每个线程创建单独的线程，可以用一个含有限数量线程的线程池，甚至一个线程来为任意数量的连接服务。由于线程数量小于连接数量，所以每个线程进行IO操作时就不能阻塞，如果阻塞的话，有些连接就得不到处理，NIO提供了这种非阻塞的能力。

小量的线程如何同时为大量连接服务呢，答案就是就绪选择。这就好比到餐厅吃饭，每来一桌客人，都有一个服务员专门为你服务，从你到餐厅到结帐走人，这样方式的好处是服务质量好，一对一的服务，VIP啊，可是缺点也很明显，成本高，如果餐厅生意好，同时来100桌客人，就需要100个服务员，那老板发工资的时候得心痛死了，这就是传统的一个连接一个线程的方式。

老板是什么人啊，精着呢。这老板就得捉摸怎么能用10个服务员同时为100桌客人服务呢，老板就发现，服务员在为客人服务的过程中并不是一直都忙着，客人点完菜，上完菜，吃着的这段时间，服务员就闲下来了，可是这个服务员还是被这桌客人占用着，不能为别的客人服务，用华为领导的话说，就是工作不饱满。那怎么把这段闲着的时间利用起来呢。这餐厅老板就想了一个办法，让一个服务员（前台）专门负责收集客人的需求，登记下来，比如有客人进来了、客人点菜了，客人要结帐了，都先记录下来按顺序排好。每个服务员到这里领一个需求，比如点菜，就拿着菜单帮客人点菜去了。点好菜以后，服务员马上回来，领取下一个需求，继续为别人客人服务去了。这种方式服务质量就不如一对一的服务了，当客人数据很多的时候可能需要等待。但好处也很明显，由于在客人正吃饭着的时候服务员不用闲着了，服务员这个时间内可以为其他客人服务了，原来10个服务员最多同时为10桌客人服务，现在可能为50桌，60客人服务了。

这种服务方式跟传统的区别有两个：

1、增加了一个角色，要有一个专门负责收集客人需求的人。NIO里对应的就是Selector。

2、由阻塞服务方式改为非阻塞服务了，客人吃着的时候服务员不用一直侯在客人旁边了。传统的IO操作，比如read()，当没有数据可读的时候，线程一直阻塞被占用，直到数据到来。NIO中没有数据可读时，read()会立即返回0，线程不会阻塞。

NIO中，客户端创建一个连接后，先要将连接注册到Selector，相当于客人进入餐厅后，告诉前台你要用餐，前台会告诉你你的桌号是几号，然后你就可能到那张桌子坐下了，SelectionKey就是桌号。当某一桌需要服务时，前台就记录哪一桌需要什么服务，比如1号桌要点菜，2号桌要结帐，服务员从前台取一条记录，根据记录提供服务，完了再来取下一条。这样服务的时间就被最有效的利用起来了。

导读：

J2SE1.4以上版本中发布了全新的I/O类库。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。NIO和IO都在rt.jar包中。

一、NIO的简介
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。
1． 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。
2． Charset：它提供Unicode字符串影射到字节序列以及逆影射的操作。
3． Channels：包含socket，file和pipe三种管道，它实际上是双向交流的通道。
4． 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、IO的传统方式

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ServerSocket
ServerSocket server=new ServerSocket（10000）；
然后接受新的连接请求
Socket newCnotallow=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。

 1 InputStream in = newConnection.getInputStream(); 2 
 3 InputStreamReader reader = new InputStreamReader(in); 4 
 5 BufferedReader buffer = new BufferedReader(reader); 6 
 7 Request request = new Request(); 8 
 9 while(!request.isComplete())  10 
11     String line = buffer.readLine(); 12 
13 request.addLine(line); 14 

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

1 Response response = request.generateResponse(); 2 
 3 OutputStream out = newConnection.getOutputStream(); 4 
 5 InputStream in = response.getInputStream()； 6 
 7 int ch； 8 
 9 while(-1 != (ch = in.read()))  10 
11 out.write(ch); 12 
13  14 
15 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、NIO的详细介绍

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

图四
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。

1 ServerSocketChannel OP_ACCEPT 2 
3 SocketChannel OP_CONNECT, OP_READ, OP_WRITE 4 
5 DatagramChannel OP_READ, OP_WRITE 6 
7 Pipe.SourceChannel OP_READ 8 
9 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。
package examples.nio;

package com.yineng.mycat; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.nio.charset.Charset; import java.net.InetSocketAddress; import java.io.IOException; /** * @author kzfy
 * @data 2015/12/21 */
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("http://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) new SocketChannelReader().getHTMLContent();