Java NIO系列教程（十一） Java NIO 与 IO

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
无	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: [e-mail]
Phone: [phone]

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：

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”：

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：

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：

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

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