Java NIO系列教程(十一) Java NIO 与 IO

时间:2022-09-06 22:01:35

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。

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
选择器

一、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。

二、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)。

(1) 阻塞和非阻塞

  • 阻塞概念:当应用程序访问数据时,如果网络传输数据很慢,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,如果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 并没有实现异步。在 JDK 1.7 后,升级了 NIO 库,支持异步非阻塞通信模型,即 NIO2.0(AIO)。

(2) 同步和异步

同步和异步一般是基于应用程序和操作系统处理 IO 事件所采用的方式。同步是应用程序直接参与 IO 读写。异步是所有的 IO 读写都交给操作系统处理,应用程序只需要等待通知。

  • 同步时,应用程序会直接参与 IO 读写操作,并且我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,如果就绪则获取数据。

  • 异步时,所有的 IO 读写操作交给操作系统处理,与我们的应用程序没有直接关系,我们程序不需要关心 IO 读写,当操作系统完成 IO 读写操作时,会给我们应用程序发送,应用程序直接拿走数据即可。

三、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。

四、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。

4.1 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。

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,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: anna@mailserver.com
Phone: 1234567890

该文本行的流可以这样处理:

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:

Java NIO系列教程(十一) Java NIO 与 IO

而一个 NIO 的实现会有所不同,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:

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,如果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() 方法被调用之前状态相同。如果没有,下一个读入缓冲区的数据可能无法读到正确的位置。这是不可能的,但却是需要注意的又一问题。

如果缓冲区已满,它可以被处理。如果它不满,并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。但是许多情况下并非如此。下图展示了“缓冲区数据循环就绪”:

Java NIO系列教程(十一) Java NIO 与 IO

4.3 用来处理数据的线程数

NIO 可让您只使用一个(或几个)单线程管理多个通道(网络连接或文件),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。

如果需要管理同时打开的成千上万个连接,这些连接每次只是发送少量的数据,例如聊天服务器,实现 NIO 的服务器可能是一个优势。同样,如果你需要维持许多打开的连接到其他计算机上,如 P2P 网络中,使用一个单独的线程来管理你所有出站连接,可能是一个优势。一个线程多个连接的设计方案如下图所示:

Java NIO系列教程(十一) Java NIO 与 IO

如果你有少量的连接使用非常高的带宽,一次发送大量的数据,也许典型的IO服务器实现可能非常契合。下图说明了一个典型的IO服务器设计:

Java NIO系列教程(十一) Java NIO 与 IO

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

每天用心记录一点点。内容也许不重要,但习惯很重要!

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