Java NIO-12.NIO和IO

学习了Java NIO和IO API之后，就有了一个问题：
什么时候用IO，什么时候用NIO？
本文将试着阐明Java NIO和IO之间使用上的区别，以及它们是如何影响到你的代码设计的。

Java NIO和IO之间的主要区别

IO	NIO
面向流	面向缓冲区
阻塞IO	非阻塞IO
	选择器

下面的表格总结了Java NIO和IO的区别。表格后面对更多的细节进行说明。

IO	NIO
面向流	面向缓冲区
阻塞IO	非阻塞IO
	选择器

面向流与面向缓冲区

第一个大的区别就是IO是面向流的，而NIO是面向缓冲区的。什么意思呢？
Java IO是面向流的，就是说从流中一次性读取一个或者多个字节。无论读取出来的数据怎样使用，它们都不会被缓存。此外，流中的数据也不能被前后移动。如果需要前后移动流中的数据，就需要先将它们存在缓冲区中。
Java NIO的面向缓冲区方式有点不同。数据被读到一个稍后才使用的缓冲区。缓冲区中的数据能根据需要前后移动。这样在处理中提供了很大的灵活性。但是，也需要检查缓冲区中的数据是否包含了需要处理的所有数据。此外，往缓冲区中读取更多的数据时，需要确认没有覆盖掉还未处理的数据。

阻塞和非阻塞IO

Java IO中的各种流是阻塞的。这意味着当一个进程执行读或写的操作时，线程在读到数据或者写入完成之前，都是阻塞地。这期间进程不能进行任何操作。
Java NIO的非阻塞模式使线程能够从通道请求读取数据，仅得到当前可用的部分，如果当前没有数据可用就什么都得不到。而不是在数据可读之前保持阻塞，线程能继续处理其他的事情。
非阻塞写是一样的。线程能请求向通道写入数据，但不会等到完全写入。这期间线程能够处理别的事情。
在IO请求的非阻塞空闲期间，线程通常在处理其他通道的IO。这样，一个线程能够处理多个通道的输入输出。

选择器（Selectors）

Java NIO的选择器让一个线程能够监控多个通道的输出。能够在一个选择器上注册多个通道，然后用这一个线程去“选择”有了要处理的可用数据的通道，或者“选择”准备好写入的通道。选择器简化了单线程控制多通道的工作。

NIO和IO对应用设计的影响

IO工具箱是选择IO还是NIO可能在以下方面影响程序设计：

1. 调用NIO还是IO类的API。
2. 数据处理
3. 处理数据的线程数

API调用

当然使用NIO和IO调用的API看起来不一样。这不意外，因为不是像InputStream那样一个一个字节的读取数据，而是必须先把数据读到缓冲区中，才能进行处理。

数据处理

用纯NIO或IO设计对数据的处理也会有影响。
在IO设计中，使用InputStream或者Reader中逐字节读取数据。假如需要处理行形式的文本数据流，例如：

Name: Anna
Age: 25
Email: [email protected]
Phone: 1234567890

文本行的流将会被按如下方式处理：

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();

注意处理状态由程序执行多久，换句话说，一旦第一个read.readLine()方法返回，就能肯定文本的整第一行都读取了。readLine()在整行读取完成之前都是阻塞的，这就是为什么能肯定这一行里面包含了姓名。同样的，当第二行readLine()返回，这一行的数据中肯定包含年龄。
可以看到，处理程序仅在有新数据读入时运行，每一步读入的数据都知道是什么。一旦运行中的线程处理了读入的数据，该线程不会回退数据（大多如此）。下图是整个流程：

Reading data from a blocking stream

NIO的实现看起来就不同，例如：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buffer);

注意第二行把数据从通道中读取到ByteBuffer，当方法返回，并不能知道要处理的数据是否都读取到了缓冲区中，只能知道缓冲区有了一些字节。这使得处理有点困难。
假如，第一次调用read(buffer)只用，所有读到缓冲区中的数据都是半行。例如“Name:An”。能对这样的数据进行处理吗？不一定。需要等至少一整行数据读到缓冲区中，这之前对任何数据的处理都是无意义的。
要知道缓冲区是否包含了足够多的数据使处理变得有意义，只能查找缓冲区中的数据。结果就是，在所有数据读完之前，要对缓冲区中的数据检查好几次。这样效率很低，而且会让程序设计变得混乱，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了缓冲区中，返回真或者假，取决于缓冲区是不是满的。换句话说，如果缓冲区准备好处理了，它被认为是满的。
bufferFull()方法扫描整个缓冲区，但是在它返回之前，缓冲区必须保持同样的状态。如果没有，下一次读取到缓冲区中的数据就不能在正确的位置读取。这不是不可能的，但却是又一个需要注意的问题。
如果缓冲区满了，就能被处理。如果不是满的，处理一部分也行的话，那无论数据在不在里面都可以先部分处理。大多数情况下都没意义。

Reading data from a channel until all needed data is in buffer

总结

NIO让一个（或几个）线程可以处理多个通道（网络连接或文件），但是代价就是解析可能比从阻塞的流中读取数据更复杂。
如果同时管理上千个打开的连接，每个连接只发送一点点数据，例如聊天服务器，用NIO实现这种服务器是有优势的。类似的，如果需要保持很多和其他电脑的连接，例如P2P网络，用单个线程处理所有的出站连接，也可能有优势。下图是一个线程处理多个连接的示例图：

A single thread managing multiple connections

如果要处理少量高带宽的连接，一次发送大量的数据，可能传统的IO服务器实现起来合适点。下面是传统IO服务器的示例图：

A classic IO server design - one connection handled by one thread.