Java NIO系列教程（十一） Java NIO 與 IO

Java NIO系列教程（十一） Java NIO與IO

當學習了 Java NIO 和 IO 的 API 後，一個問題立刻涌入腦海：

我應該什麼時候使用 IO，什麼時候使用 NIO 呢？在本文中，我會盡可能清晰地解析 Java NIO 和 IO 的差別、它們的使用場景，以及它們如何影響您的代碼設計。

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

IO	NIO
面向流	面向緩衝
阻塞IO	非阻塞IO
無	選擇器

1、面向流與面向緩衝

Java NIO 和 IO 之間第一個最大的區別是，IO 是面向流的，NIO 是面向緩衝區的。

Java IO 面向流意味着每次從流中讀一個或多個字節，直至讀取全部字節，它們沒有被緩存在任何地方。此外，它不能先後移動流中的數據。若是須要先後移動從流中讀取的數據，須要先將它緩存到一個緩衝區。

Java NIO 的緩衝導向方法略有不一樣。數據讀取到一個它稍後處理的緩衝區，須要時可在緩衝區中先後移動。這就增長了處理過程當中的靈活性。可是，還須要檢查是否該緩衝區中包含全部您須要處理的數據。並且，需確保當更多的數據讀入緩衝區時，不要覆蓋緩衝區裏還沒有處理的數據。

2、阻塞與非阻塞 IO

Java IO 的各類流是阻塞的。這意味着，當一個線程調用 read() 或 write() 時，該線程被阻塞，直到有一些數據被讀取，或數據徹底寫入。該線程在此期間不能再幹任何事情了。 Java NIO 的非阻塞模式，使一個線程從某通道發送請求讀取數據，可是它僅能獲得目前可用的數據，若是目前沒有數據可用時，就什麼都不會獲取。而不是保持線程阻塞，因此直至數據變的能夠讀取以前，該線程能夠繼續作其餘的事情。 非阻塞寫也是如此。一個線程請求寫入一些數據到某通道，但不須要等待它徹底寫入，這個線程同時能夠去作別的事情。 線程一般將非阻塞 IO 的空閒時間用於在其它通道上執行 IO 操做，因此一個單獨的線程如今能夠管理多個輸入和輸出通道（channel）。

(1) 阻塞和非阻塞

• 阻塞概念：當應用程序訪問數據時，若是網絡傳輸數據很慢，那麼程序就一直等待，直到傳輸完畢爲止。

• 非阻塞概念：當應用程序訪問數據緩衝區時，若是沒有數據則直接返回，無需等待。

注意：BIO 爲同步阻塞形式，NIO 爲同步非阻塞形式，NIO 並無實現異步。在 JDK 1.7 後，升級了 NIO 庫，支持異步非阻塞通訊模型，即 NIO2.0(AIO)。

(2) 同步和異步

同步和異步通常是基於應用程序和操做系統處理 IO 事件所採用的方式。同步是應用程序直接參與 IO 讀寫。異步是全部的 IO 讀寫都交給操做系統處理，應用程序只須要等待通知。

• 同步時，應用程序會直接參與 IO 讀寫操做，而且咱們的應用程序會直接阻塞到某一個方法上，直到數據準備就緒；或者採用輪詢的策略實時檢查數據的就緒狀態，若是就緒則獲取數據。

• 異步時，全部的 IO 讀寫操做交給操做系統處理，與咱們的應用程序沒有直接關係，咱們程序不須要關心 IO 讀寫，當操做系統完成 IO 讀寫操做時，會給咱們應用程序發送，應用程序直接拿走數據便可。

3、選擇器（Selectors）

Java NIO 的選擇器容許一個單獨的線程來監視多個輸入通道，你能夠註冊多個通道使用一個選擇器，而後使用一個單獨的線程來「選擇」通道：這些通道里已經有能夠處理的輸入，或者選擇已準備寫入的通道。這種選擇機制，使得一個單獨的線程很容易來管理多個通道。

4、NIO 和 IO 如何影響應用程序的設計

不管您選擇 IO 或 NIO 工具箱，可能會影響您應用程序設計的如下幾個方面：

• 對 NIO 或 IO 類的API調用。
• 數據處理。
• 用來處理數據的線程數。

4.1 API 調用

固然，使用 NIO 的 API 調用時看起來與使用 IO 時有所不一樣，但這並不意外，由於並非僅從一個 InputStream 逐字節讀取，而是數據必須先讀入緩衝區再處理。

4.2 數據處理

使用純粹的 NIO 設計相較 IO 設計，數據處理也受到影響。

在 IO 設計中，咱們從 InputStream 或 Reader 逐字節讀取數據。假設你正在處理一基於行的文本數據流，例如：

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

該文本行的流能夠這樣處理：

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

String nameLine   = reader.readLine();
String ageLine    = reader.readLine();
String emailLine  = reader.readLine();
String phoneLine  = reader.readLine();

請注意處理狀態由程序執行多久決定。換句話說，一旦 reader.readLine() 方法返回，你就知道確定文本行就已讀完， readline() 阻塞直到整行讀完，這就是緣由。你也知道此行包含名稱；一樣，第二個 readline() 調用返回的時候，你知道這行包含年齡等。 正如你能夠看到，該處理程序僅在有新數據讀入時運行，並知道每步的數據是什麼。一旦正在運行的線程已處理過讀入的某些數據，該線程不會再回退數據（大多如此）。下圖也說明了這條原則：

而一個 NIO 的實現會有所不一樣，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，從通道讀取字節到 ByteBuffer。當這個方法調用返回時，你不知道你所需的全部數據是否在緩衝區內。你所知道的是，該緩衝區包含一些字節，這使得處理有點困難。
假設第一次 read(buffer) 調用後，讀入緩衝區的數據只有半行，例如，「Name:An」，你能處理數據嗎？顯然不能，須要等待，直到整行數據讀入緩存，在此以前，對數據的任何處理毫無心義。

因此，你怎麼知道是否該緩衝區包含足夠的數據能夠處理呢？好了，你不知道。發現的方法只能查看緩衝區中的數據。其結果是，在你知道全部數據都在緩衝區裏以前，你必須檢查幾回緩衝區的數據。這不只效率低下，並且可使程序設計方案雜亂不堪。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據讀入緩衝區，並返回真或假，這取決於緩衝區是否已滿。換句話說，若是緩衝區準備好被處理，那麼表示緩衝區滿了。

bufferFull() 方法掃描緩衝區，但必須保持在 bufferFull() 方法被調用以前狀態相同。若是沒有，下一個讀入緩衝區的數據可能沒法讀到正確的位置。這是不可能的，但倒是須要注意的又一問題。

若是緩衝區已滿，它能夠被處理。若是它不滿，而且在你的實際案例中有意義，你或許能處理其中的部分數據。可是許多狀況下並不是如此。下圖展現了「緩衝區數據循環就緒」：

4.3 用來處理數據的線程數

NIO 可以讓您只使用一個（或幾個）單線程管理多個通道（網絡鏈接或文件），但付出的代價是解析數據可能會比從一個阻塞流中讀取數據更復雜。

若是須要管理同時打開的成千上萬個鏈接，這些鏈接每次只是發送少許的數據，例如聊天服務器，實現 NIO 的服務器多是一個優點。一樣，若是你須要維持許多打開的鏈接到其餘計算機上，如 P2P 網絡中，使用一個單獨的線程來管理你全部出站鏈接，多是一個優點。一個線程多個鏈接的設計方案以下圖所示：

若是你有少許的鏈接使用很是高的帶寬，一次發送大量的數據，也許典型的IO服務器實現可能很是契合。下圖說明了一個典型的IO服務器設計：

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） 通道之間的數據傳輸
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 與 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

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