Java NIO 教程(十三) Java NIO vs. IO

參考：http://ifeve.com/java-nio-vs-io/
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當(dāng)學(xué)習(xí)了Java NIO和IO的API后，一個問題馬上涌入腦海：

我應(yīng)該何時使用IO，何時使用NIO呢？在本文中，我會盡量清晰地解析Java NIO和IO的差異、它們的使用場景，以及它們?nèi)绾斡绊懩拇a設(shè)計。

Java NIO和IO的主要區(qū)別

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

IO NIO
面向流 面向緩沖
阻塞IO 非阻塞IO
無 選擇器

面向流與面向緩沖

Java NIO和IO之間第一個最大的區(qū)別是，IO是面向流的，NIO是面向緩沖區(qū)的。 Java IO面向流意味著每次從流中讀一個或多個字節(jié)，直至讀取所有字節(jié)，它們沒有被緩存在任何地方。此外，它不能前后移動流中的數(shù)據(jù)。如果需要前后移動從流中讀取的數(shù)據(jù)，需要先將它緩存到一個緩沖區(qū)。 Java NIO的緩沖導(dǎo)向方法略有不同。數(shù)據(jù)讀取到一個它稍后處理的緩沖區(qū)，需要時可在緩沖區(qū)中前后移動。這就增加了處理過程中的靈活性。但是，還需要檢查是否該緩沖區(qū)中包含所有您需要處理的數(shù)據(jù)。而且，需確保當(dāng)更多的數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)時，不要覆蓋緩沖區(qū)里尚未處理的數(shù)據(jù)。

阻塞與非阻塞IO

Java IO的各種流是阻塞的。這意味著，當(dāng)一個線程調(diào)用read()或write()時，該線程被阻塞，直到有一些數(shù)據(jù)被讀取，或數(shù)據(jù)完全寫入。該線程在此期間不能再干任何事情了。 Java NIO的非阻塞模式，使一個線程從某通道發(fā)送請求讀取數(shù)據(jù)，但是它僅能得到目前可用的數(shù)據(jù)，如果目前沒有數(shù)據(jù)可用時，就什么都不會獲取。而不是保持線程阻塞，所以直至數(shù)據(jù)變的可以讀取之前，該線程可以繼續(xù)做其他的事情。 非阻塞寫也是如此。一個線程請求寫入一些數(shù)據(jù)到某通道，但不需要等待它完全寫入，這個線程同時可以去做別的事情。 線程通常將非阻塞IO的空閑時間用于在其它通道上執(zhí)行IO操作，所以一個單獨的線程現(xiàn)在可以管理多個輸入和輸出通道（channel）。

選擇器（Selectors）

Java NIO的選擇器允許一個單獨的線程來監(jiān)視多個輸入通道，你可以注冊多個通道使用一個選擇器，然后使用一個單獨的線程來“選擇”通道：這些通道里已經(jīng)有可以處理的輸入，或者選擇已準(zhǔn)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。

NIO和IO如何影響應(yīng)用程序的設(shè)計

無論您選擇IO或NIO工具箱，可能會影響您應(yīng)用程序設(shè)計的以下幾個方面：

  1. 對NIO或IO類的API調(diào)用。
  2. 數(shù)據(jù)處理。
  3. 用來處理數(shù)據(jù)的線程數(shù)。

API調(diào)用

當(dāng)然，使用NIO的API調(diào)用時看起來與使用IO時有所不同，但這并不意外，因為并不是僅從一個InputStream逐字節(jié)讀取，而是數(shù)據(jù)必須先讀入緩沖區(qū)再處理。

數(shù)據(jù)處理

使用純粹的NIO設(shè)計相較IO設(shè)計，數(shù)據(jù)處理也受到影響。

在IO設(shè)計中，我們從InputStream或Reader逐字節(jié)讀取數(shù)據(jù)。假設(shè)你正在處理一基于行的文本數(shù)據(jù)流，例如：

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

該文本行的流可以這樣處理：

InputStream input = ... ; // get the InputStream from the client socket

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(tài)由程序執(zhí)行多久決定。換句話說，一旦reader.readLine()方法返回，你就知道肯定文本行就已讀完， readline()阻塞直到整行讀完，這就是原因。你也知道此行包含名稱；同樣，第二個readline()調(diào)用返回的時候，你知道這行包含年齡等。 正如你可以看到，該處理程序僅在有新數(shù)據(jù)讀入時運行，并知道每步的數(shù)據(jù)是什么。一旦正在運行的線程已處理過讀入的某些數(shù)據(jù)，該線程不會再回退數(shù)據(jù)（大多如此）。下圖也說明了這條原則：

Java IO: 從一個阻塞的流中讀數(shù)據(jù)

而一個NIO的實現(xiàn)會有所不同，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(jié)到ByteBuffer。當(dāng)這個方法調(diào)用返回時，你不知道你所需的所有數(shù)據(jù)是否在緩沖區(qū)內(nèi)。你所知道的是，該緩沖區(qū)包含一些字節(jié)，這使得處理有點困難。
假設(shè)第一次 read(buffer)調(diào)用后，讀入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)只有半行，例如，“Name:An”，你能處理數(shù)據(jù)嗎？顯然不能，需要等待，直到整行數(shù)據(jù)讀入緩存，在此之前，對數(shù)據(jù)的任何處理毫無意義。

所以，你怎么知道是否該緩沖區(qū)包含足夠的數(shù)據(jù)可以處理呢？好了，你不知道。發(fā)現(xiàn)的方法只能查看緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。其結(jié)果是，在你知道所有數(shù)據(jù)都在緩沖區(qū)里之前，你必須檢查幾次緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。這不僅效率低下，而且可以使程序設(shè)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(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)，并返回真或假，這取決于緩沖區(qū)是否已滿。換句話說，如果緩沖區(qū)準(zhǔn)備好被處理，那么表示緩沖區(qū)滿了。

bufferFull()方法掃描緩沖區(qū)，但必須保持在bufferFull()方法被調(diào)用之前狀態(tài)相同。如果沒有，下一個讀入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)可能無法讀到正確的位置。這是不可能的，但卻是需要注意的又一問題。

如果緩沖區(qū)已滿，它可以被處理。如果它不滿，并且在你的實際案例中有意義，你或許能處理其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)。但是許多情況下并非如此。下圖展示了“緩沖區(qū)數(shù)據(jù)循環(huán)就緒”：

Java NIO:從一個通道里讀數(shù)據(jù)，直到所有的數(shù)據(jù)都讀到緩沖區(qū)里.

概要

NIO可讓您只使用一個（或幾個）單線程管理多個通道（網(wǎng)絡(luò)連接或文件），但付出的代價是解析數(shù)據(jù)可能會比從一個阻塞流中讀取數(shù)據(jù)更復(fù)雜。

如果需要管理同時打開的成千上萬個連接，這些連接每次只是發(fā)送少量的數(shù)據(jù)，例如聊天服務(wù)器，實現(xiàn)NIO的服務(wù)器可能是一個優(yōu)勢。同樣，如果你需要維持許多打開的連接到其他計算機上，如P2P網(wǎng)絡(luò)中，使用一個單獨的線程來管理你所有出站連接，可能是一個優(yōu)勢。一個線程多個連接的設(shè)計方案如下圖所示：

Java NIO: 單線程管理多個連接

如果你有少量的連接使用非常高的帶寬，一次發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，也許典型的IO服務(wù)器實現(xiàn)可能非常契合。下圖說明了一個典型的IO服務(wù)器設(shè)計：

Java IO: 一個典型的IO服務(wù)器設(shè)計- 一個連接通過一個線程處理
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