Java中IO与NIO的区别和使用场景

Posted 2023-03-22

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java中IO与NIO的区别和使用场景相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

参考技术A 在java2以前，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。java5以后使用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。

NIO 设计背后的基石：反应器模式，用于事件多路分离和分派的体系结构模式。

反应器（Reactor）：用于事件多路分离和分派的体系结构模式

通常的，对一个文件描述符指定的文件或设备, 有两种工作方式: 阻塞与非阻塞。所谓阻塞方式的意思是指, 当试图对该文件描述符进行读写时, 如果当时没有东西可读,或者暂时不可写, 程序就进入等待状态, 直到有东西可读或者可写为止。而对于非阻塞状态, 如果没有东西可读, 或者不可写, 读写函数马上返回, 而不会等待。

一种常用做法是：每建立一个Socket连接时，同时创建一个新线程对该Socket进行单独通信（采用阻塞的方式通信）。这种方式具有很高的响应速度，并且控制起来也很简单，在连接数较少的时候非常有效，但是如果对每一个连接都产生一个线程的无疑是对系统资源的一种浪费，如果连接数较多将会出现资源不足的情况。

另一种较高效的做法是：服务器端保存一个Socket连接列表，然后对这个列表进行轮询，如果发现某个Socket端口上有数据可读时（读就绪），则调用该socket连接的相应读操作；如果发现某个 Socket端口上有数据可写时（写就绪），则调用该socket连接的相应写操作；如果某个端口的Socket连接已经中断，则调用相应的析构方法关闭该端口。这样能充分利用服务器资源，效率得到了很大提高。

传统的阻塞式IO，每个连接必须要开一个线程来处理，并且没处理完线程不能退出。

非阻塞式IO，由于基于反应器模式，用于事件多路分离和分派的体系结构模式，所以可以利用线程池来处理。事件来了就处理，处理完了就把线程归还。而传统阻塞方式不能使用线程池来处理，假设当前有10000个连接，非阻塞方式可能用1000个线程的线程池就搞定了，而传统阻塞方式就需要开10000个来处理。如果连接数较多将会出现资源不足的情况。非阻塞的核心优势就在这里。

为什么会这样，下面就对他们做进一步细致具体的分析：

首先，我们来分析传统阻塞式IO的瓶颈在哪里。在连接数不多的情况下，传统IO编写容易方便使用。但是随着连接数的增多，问题传统IO就不行了。因为前面说过，传统IO处理每个连接都要消耗一个线程，而程序的效率当线程数不多时是随着线程数的增加而增加，但是到一定的数量之后，是随着线程数的增加而减少。这里我们得出结论，传统阻塞式IO的瓶颈在于不能处理过多的连接。

然后，非阻塞式IO的出现的目的就是为了解决这个瓶颈。而非阻塞式IO是怎么实现的呢？非阻塞IO处理连接的线程数和连接数没有联系，也就是说处理 10000个连接非阻塞IO不需要10000个线程，你可以用1000个也可以用2000个线程来处理。因为非阻塞IO处理连接是异步的。当某个链接发送请求到服务器，服务器把这个连接请求当作一个请求"事件"，并把这个"事件"分配给相应的函数处理。我们可以把这个处理函数放到线程中去执行，执行完就把线程归还。这样一个线程就可以异步的处理多个事件。而阻塞式IO的线程的大部分时间都浪费在等待请求上了。

所谓阻塞式IO流，就是指在从数据流当中读写数据的的时候，阻塞当前线程，直到IO流可以

重新使用为止，你也可以使用流的avaliableBytes()函数看看当前流当中有多少字节可以读取，这样

就不会再阻塞了。参考技术B java.NIO包里包括三个基本的组件
l buffer：因为NIO是基于缓冲的，所以buffer是最底层的必要类，这也是IO和NIO的根本不同，虽然stream等有buffer开头的扩展类，但只是流的包装类，还是从流读到缓冲区，而NIO却是直接读到buffer中进行操作。
因为读取的都是字节，所以在操作文字时，要用charset类进行编解码操作。
l channel：类似于IO的stream，但是不同的是除了FileChannel，其他的channel都能以非阻塞状态运行。FileChannel执行的是文件的操作，可以直接DMA操作内存而不依赖于CPU。其他比如socketchannel就可以在数据准备好时才进行调用。
l selector：用于分发请求到不同的channel，这样才能确保channel不处于阻塞状态就可以收发消息。
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，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需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，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。
补充一点：NIO的buffer可以使用直接内存缓冲区，该缓冲区不在JVM中，性能会比JVM的缓冲区略好，不过会增加相应的垃圾回收的负担，因为JVM缓冲区的性能已经足够好，所以除非在对缓冲有特别要求的地方使用直接缓冲区，尽量使用JVM缓冲。
阻塞与非阻塞
Java IO是阻塞式的操作，当一个inputstream或outputstream在进行read（）或write（）操作时，是一直处于等待状态的，直到有数据读/写入后才进行处理.而NIO是非阻塞式的,当进行读写操作时,只会返回当前已经准备好的数据,没有就返回空,这样当前线程就可以处理其他的事情,提高了资源的使用率.
与传统IO的优势
在老的IO包中，serverSocket和socket都是阻塞式的，因此一旦有大规模的并发行为，而每一个访问都会开启一个新线程。这时会有大规模的线程上下文切换操作（因为都在等待，所以资源全都被已有的线程吃掉了），这时无论是等待的线程还是正在处理的线程，响应率都会下降，并且会影响新的线程。
而NIO包中的serverSocket和socket就不是这样，只要注册到一个selector中，当有数据放入通道的时候，selector就会得知哪些channel就绪，这时就可以做响应的处理，这样服务端只有一个线程就可以处理大部分情况（当然有些持续性操作，比如上传下载一个大文件，用NIO的方式不会比IO好）。
通过两个图的比较，可以看出IO是直连的，每个请求都给一条线程来处理，但是NIO却是基于反应堆（selector）来处理，直到读写的数据准备好后，才会通知相应的线程来进行处理。一言以蔽之：“selector不会让channel白占资源，没事的时候给我去睡觉。”
PS:NIO基于字节进行传输，在IO时要注意decode/encode。

java nio 与io区别

转自：http://blog.csdn.net/keda8997110/article/details/19549493

当学习了Java NIO和IO的API后，一个问题马上涌入脑海：

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，以及它们如何影响您的代码设计。

Java NIO和IO的主要区别

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

IO                NIO
面向流            面向缓冲
阻塞IO            非阻塞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，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需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，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

阻塞与非阻塞IO

Java IO的各种流是阻塞的。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，或数据完全写入。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，但是它仅能得到目前可用的数据，如果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，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

选择器（Selectors）

Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册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：这些通道里已经有可以处理的输入，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。

NIO和IO如何影响应用程序的设计

无论您选择IO或NIO工具箱，可能会影响您应用程序设计的以下几个方面：

对NIO或IO类的API调用。
数据处理。
用来处理数据的线程数。

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，因为并不是仅从一个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。假设你正在处理一基于行的文本数据流，例如：

Name: Anna
Age: 25
Email: [email protected]
Phone: 1234567890

该文本行的流可以这样处理：
InputStream input = … ; // get the InputStream from the client socket

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BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));

2
 
3
String nameLine   = reader.readLine();

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String ageLine    = reader.readLine();

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String emailLine  = reader.readLine();

6
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，你就知道肯定文本行就已读完， readline()阻塞直到整行读完，这就是原因。你也知道此行包含名称；同样，第二个readline()调用返回的时候，你知道这行包含年龄等。正如你可以看到，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：技术分享（Java IO: 从一个阻塞的流中读数据）而一个NIO的实现会有所不同，下面是一个简单的例子：

1
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);

2
 
3
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，你不知道你所需的所有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，需要等待，直到整行数据读入缓存，在此之前，对数据的任何处理毫无意义。

所以，你怎么知道是否该缓冲区包含足够的数据可以处理呢？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，在你知道所有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，而且可以使程序设计方案杂乱不堪。例如：

1
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);

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3
int bytesRead = inChannel.read(buffer);

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5
while(! bufferFull(bytesRead) ) {

6
 
7
bytesRead = inChannel.read(buffer);

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}