Java NIO與IO的區別和比較

Java NIO與IO的區別和比較

導讀
J2SE1.4以上版本中發佈了全新的I/O類庫。本文將經過一些實例來簡單介紹NIO庫提供的一些新特性：非阻塞I/O，字符轉換，緩衝以及通道。

一. 介紹NIO

NIO包（java.nio.*）引入了四個關鍵的抽象數據類型，它們共同解決傳統的I/O類中的一些問題。
1． Buffer：它是包含數據且用於讀寫的線形表結構。其中還提供了一個特殊類用於內存映射文件的I/O操做。
2． Charset：它提供Unicode字符串影射到字節序列以及逆影射的操做。
3． Channels：包含socket，file和pipe三種管道，它其實是雙向交流的通道。
4． Selector：它將多元異步I/O操做集中到一個或多個線程中（它能夠被當作是Unix中select（）函數或Win32中WaitForSingleEvent（）函數的面向對象版本）。

二. 回顧傳統

在介紹NIO以前，有必要了解傳統的I/O操做的方式。以網絡應用爲例，傳統方式須要監聽一個ServerSocket，接受請求的鏈接爲其提供服務（服務一般包括了處理請求併發送響應）圖一是服務器的生命週期圖，其中標有粗黑線條的部分代表會發生I/O阻塞。

圖一

能夠分析建立服務器的每一個具體步驟。首先建立ServerSocket
ServerSocket server=new ServerSocket（10000）；
而後接受新的鏈接請求
Socket newConnection=server.accept（）；
對於accept方法的調用將形成阻塞，直到ServerSocket接受到一個鏈接請求爲止。一旦鏈接請求被接受，服務器能夠讀客戶socket中的請求。 

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InputStream in = newConnection.getInputStream(); InputStreamReader reader = new InputStreamReader(in); BufferedReader buffer = new BufferedReader(reader); Request request = new Request(); while(!request.isComplete()) { String line = buffer.readLine(); request.addLine(line); }

這樣的操做有兩個問題，首先BufferedReader類的readLine（）方法在其緩衝區未滿時會形成線程阻塞，只有必定數據填滿了緩衝區或者客戶關閉了套接字，方法纔會返回。其次，它回產生大量的垃圾，BufferedReader建立了緩衝區來從客戶套接字讀入數據，可是一樣建立了一些字符串存儲這些數據。雖然BufferedReader內部提供了StringBuffer處理這一問題，可是全部的String很快變成了垃圾須要回收。

一樣的問題在發送響應代碼中也存在

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Response response = request.generateResponse(); OutputStream out = newConnection.getOutputStream(); InputStream in = response.getInputStream()； int ch； while(-1 != (ch = in.read())) { out.write(ch); } newConnection.close();

相似的，讀寫操做被阻塞並且向流中一次寫入一個字符會形成效率低下，因此應該使用緩衝區，可是一旦使用緩衝，流又會產生更多的垃圾。

傳統的解決方法
一般在Java中處理阻塞I/O要用到線程（大量的線程）。通常是實現一個線程池用來處理請求，如圖二

圖二
線程使得服務器能夠處理多個鏈接，可是它們也一樣引起了許多問題。每一個線程擁有本身的棧空間而且佔用一些CPU時間，耗費很大，並且不少時間是浪費在阻塞的I/O操做上，沒有有效的利用CPU。

三. 新I/O

1． Buffer
傳統的I/O不斷的浪費對象資源（一般是String）。新I/O經過使用Buffer讀寫數據避免了資源浪費。Buffer對象是線性的，有序的數據集合，它根據其類別只包含惟一的數據類型。
java.nio.Buffer 類描述
java.nio.ByteBuffer 包含字節類型。 能夠從ReadableByteChannel中讀在 WritableByteChannel中寫
java.nio.MappedByteBuffer 包含字節類型，直接在內存某一區域映射
java.nio.CharBuffer 包含字符類型，不能寫入通道
java.nio.DoubleBuffer 包含double類型，不能寫入通道
java.nio.FloatBuffer 包含float類型
java.nio.IntBuffer 包含int類型
java.nio.LongBuffer 包含long類型
java.nio.ShortBuffer 包含short類型
能夠經過調用allocate(int capacity)方法或者allocateDirect(int capacity)方法分配一個Buffer。特別的，你能夠建立MappedBytesBuffer經過調用FileChannel.map(int mode,long position,int size)。直接（direct）buffer在內存中分配一段連續的塊並使用本地訪問方法讀寫數據。非直接(nondirect)buffer經過使用Java中的數組訪問代碼讀寫數據。有時候必須使用非直接緩衝例如使用任何的wrap方法（如ByteBuffer.wrap(byte[])）在Java數組基礎上建立buffer。

2． 字符編碼
向ByteBuffer中存放數據涉及到兩個問題：字節的順序和字符轉換。ByteBuffer內部經過ByteOrder類處理了字節順序問題，可是並無處理字符轉換。事實上，ByteBuffer沒有提供方法讀寫String。
Java.nio.charset.Charset處理了字符轉換問題。它經過構造CharsetEncoder和CharsetDecoder將字符序列轉換成字節和逆轉換。

3． 通道(Channel)
你可能注意到現有的java.io類中沒有一個可以讀寫Buffer類型，因此NIO中提供了Channel類來讀寫Buffer。通道能夠認爲是一種鏈接，能夠是到特定設備，程序或者是網絡的鏈接。通道的類等級結構圖以下

圖三
圖中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分別用於讀寫。
GatheringByteChannel能夠從使用一次將多個Buffer中的數據寫入通道，相反的，ScatteringByteChannel則能夠一次將數據從通道讀入多個Buffer中。你還能夠設置通道使其爲阻塞或非阻塞I/O操做服務。
爲了使通道可以同傳統I/O類相容，Channel類提供了靜態方法建立Stream或Reader

4． Selector
在過去的阻塞I/O中，咱們通常知道何時能夠向stream中讀或寫，由於方法調用直到stream準備好時返回。可是使用非阻塞通道，咱們須要一些方法來知道何時通道準備好了。在NIO包中，設計Selector就是爲了這個目的。SelectableChannel能夠註冊特定的事件，而不是在事件發生時通知應用，通道跟蹤事件。而後，當應用調用Selector上的任意一個selection方法時，它查看註冊了的通道看是否有任何感興趣的事件發生。圖四是selector和兩個已註冊的通道的例子

圖四
並非全部的通道都支持全部的操做。SelectionKey類定義了全部可能的操做位，將要用兩次。首先，當應用調用SelectableChannel.register(Selector sel,int op)方法註冊通道時，它將所需操做做爲第二個參數傳遞到方法中。而後，一旦SelectionKey被選中了，SelectionKey的readyOps()方法返回全部通道支持操做的數位的和。SelectableChannel的validOps方法返回每一個通道容許的操做。註冊通道不支持的操做將引起IllegalArgumentException異常。下表列出了SelectableChannel子類所支持的操做。 

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ServerSocketChannel OP_ACCEPT  SocketChannel OP_CONNECT, OP_READ, OP_WRITE  DatagramChannel OP_READ, OP_WRITE  Pipe.SourceChannel OP_READ  Pipe.SinkChannel OP_WRITE

四. 舉例說明

1． 簡單網頁內容下載
這個例子很是簡單，類SocketChannelReader使用SocketChannel來下載特定網頁的HTML內容。
package examples.nio;

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import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.nio.charset.Charset; import java.net.InetSocketAddress; import java.io.IOException; public class SocketChannelReader{   private Charset charset=Charset.forName("UTF-8");//建立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{//鏈接到CSDN InetSocketAddress socketAddress= new InetSocketAddress("http://www.csdn.net",80/); channel=SocketChannel.open(socketAddress); //使用工廠方法open建立一個channel並將它鏈接到指定地址上 //至關與SocketChannel.open().connect(socketAddress);調用 } private void sendRequest()throws IOException{ channel.write(charset.encode("GET " +"/document" +"\r\n\r\n"));//發送GET請求到CSDN的文檔中心 //使用channel.write方法，它須要CharByte類型的參數，使用 //Charset.encode(String)方法轉換字符串。 } private void readResponse()throws IOException{//讀取應答 ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);//建立1024字節的緩衝 while(channel.read(buffer)!=-1){ buffer.flip();//flip方法在讀緩衝區字節操做以前調用。 System.out.println(charset.decode(buffer)); //使用Charset.decode方法將字節轉換爲字符串 buffer.clear();//清空緩衝 } } public static void main(String [] args){ new SocketChannelReader().getHTMLContent(); }

2． 簡單的加法服務器和客戶機

服務器代碼 

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package examples.nio; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.IntBuffer; import java.nio.channels.ServerSocketChannel; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.net.InetSocketAddress; import java.io.IOException; /** * SumServer.java * * * Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003 * * @author starchu1981 * @version 1.0 */ public class SumServer { private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8); private IntBuffer _intBuffer=_buffer.asIntBuffer(); private SocketChannel _clientChannel=null; private ServerSocketChannel _serverChannel=null; public void start(){ try{ openChannel(); waitForConnection(); }catch(IOException e){ System.err.println(e.toString()); } } private void openChannel()throws IOException{ _serverChannel=ServerSocketChannel.open(); _serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000)); System.out.println("服務器通道已經打開"); } private void waitForConnection()throws IOException{ while(true){ _clientChannel=_serverChannel.accept(); if(_clientChannel!=null){ System.out.println("新的鏈接加入"); processRequest(); _clientChannel.close(); } } } private void processRequest()throws IOException{ _buffer.clear(); _clientChannel.read(_buffer); int result=_intBuffer.get(0)+_intBuffer.get(1); _buffer.flip(); _buffer.clear(); _intBuffer.put(0,result); _clientChannel.write(_buffer); } public static void main(String [] args){ new SumServer().start(); } } // SumServer 客戶代碼 package examples.nio; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.IntBuffer; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.net.InetSocketAddress; import java.io.IOException; /** * SumClient.java * * * Created: Thu Nov 06 11:26:06 2003 * * @author starchu1981 * @version 1.0 */ public class SumClient { private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8); private IntBuffer _intBuffer; private SocketChannel _channel; public SumClient() { _intBuffer=_buffer.asIntBuffer(); } // SumClient constructor   public int getSum(int first,int second){ int result=0; try{ _channel=connect(); sendSumRequest(first,second); result=receiveResponse(); }catch(IOException e){System.err.println(e.toString()); }finally{ if(_channel!=null){ try{ _channel.close(); }catch(IOException e){} } } return result; } private SocketChannel connect()throws IOException{ InetSocketAddress socketAddress= new InetSocketAddress("localhost",10000); return SocketChannel.open(socketAddress); }   private void sendSumRequest(int first,int second)throws IOException{ _buffer.clear(); _intBuffer.put(0,first); _intBuffer.put(1,second); _channel.write(_buffer); System.out.println("發送加法請求 "+first+"+"+second); }   private int receiveResponse()throws IOException{ _buffer.clear(); _channel.read(_buffer); return _intBuffer.get(0); } public static void main(String [] args){ SumClient sumClient=new SumClient(); System.out.println("加法結果爲 :"+sumClient.getSum(100,324)); } } // SumClient

 

3． 非阻塞的加法服務器

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首先在openChannel方法中加入語句 _serverChannel.configureBlocking(false);//設置成爲非阻塞模式 重寫WaitForConnection方法的代碼以下，使用非阻塞方式  private void waitForConnection()throws IOException{ Selector acceptSelector = SelectorProvider.provider().openSelector(); /*在服務器套接字上註冊selector並設置爲接受accept方法的通知。 這就告訴Selector，套接字想要在accept操做發生時被放在ready表 上，所以，容許多元非阻塞I/O發生。*/ SelectionKey acceptKey = ssc.register(acceptSelector,  SelectionKey.OP_ACCEPT); int keysAdded = 0;

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/*select方法在任何上面註冊了的操做發生時返回*/ while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) { // 某客戶已經準備好能夠進行I/O操做了，獲取其ready鍵集合 Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys(); Iterator i = readyKeys.iterator(); // 遍歷ready鍵集合，並處理加法請求 while (i.hasNext()) { SelectionKey sk = (SelectionKey)i.next(); i.remove(); ServerSocketChannel nextReady =  (ServerSocketChannel)sk.channel(); // 接受加法請求並處理它 _clientSocket = nextReady.accept().socket(); processRequest(); _clientSocket.close(); } } }