Java NIO与IO

在研究Java NIO和IO API时，很快就会出现一个问题：

我什么时候应该使用IO，什么时候应该使用NIO？

在本文中，我将尝试阐明Java NIO和IO之间的差异，它们的用例以及它们如何影响代码的设计。

Java NIO和IO的主要区别

下表总结了Java NIO和IO之间的主要区别。我将在表格后面的部分中详细介绍每个区别。

IO	NIO
流导向	缓冲导向
阻止IO	非阻塞IO
	选择器

面向流的与面向缓冲的

Java NIO和IO之间的第一个重要区别是IO是面向流的，其中NIO是面向缓冲区的。那么，这意味着什么？

面向流的Java IO意味着你可以从流中一次读取一个或多个字节。你对读取的字节做什么取决于你。它们不会缓存在任何地方。此外，你无法在流中的数据中前后移动。如果需要在从流中读取的数据中前后移动，则需要先将其缓存在缓冲区中。

Java NIO的面向缓冲区的方法略有不同。数据被读入缓冲区，稍后处理该缓冲区。你可以根据需要在缓冲区中前后移动。这使你在处理过程中具有更大的灵活性。但是，你还需要检查缓冲区是否包含完整处理所需的所有数据。并且，你需要确保在将更多数据读入缓冲区时，不要覆盖尚未处理的缓冲区中的数据。

阻止与非阻塞IO

Java IO的各种流都是阻塞的。这意味着，当线程调用read（）或write（）时，该线程将被阻塞，直到有一些数据要读取，或者数据被完全写入。在此期间，该线程无法执行任何其他操作。

Java NIO的非阻塞模式允许线程请求从通道读取数据，并且只获取当前可用的内容，或者根本没有数据，如果当前没有数据可用。线程可以继续使用其他内容，而不是在数据可供读取之前保持阻塞状态。

非阻塞写作也是如此。线程可以请求将某些数据写入通道，但不要等待它完全写入。然后线程可以继续并在同一时间做其他事情。

什么线程在IO调用中没有阻塞时花费空闲时间，通常在此期间在其他通道上执行IO。也就是说，单个线程现在可以管理多个输入和输出通道。

选择

Java NIO的选择器允许单个线程监视多个输入通道。你可以使用选择器注册多个通道，然后使用单个线程“选择”具有可用于处理的输入的通道，或者选择准备写入的通道。这种选择器机制使单个线程可以轻松管理多个通道。

NIO和IO如何影响应用程序设计

无论你选择NIO还是IO，因为你的IO工具包可能会影响应用程序设计的以下方面：

API调用NIO或IO类。
处理数据。
用于处理数据的线程数。

API调用

当然，使用NIO时的API调用看起来与使用IO时不同。这并不奇怪。而不是仅仅从例如InputStream读取字节的数据字节，必须首先将数据读入缓冲区，然后从那里进行处理。

数据处理

使用纯NIO设计与IO设计时，数据处理也会受到影响。

在IO设计中，你从InputStream或Reader中读取字节的数据字节。想象一下，你正在处理基于行的文本数据流。例如：

姓名：qq
年龄：7岁
电子邮件：[email protected]
电话：1234567890

这个文本行流可以像这样处理：

InputStream input = ...; //从客户端套接字获取InputStream

BufferedReader reader = new BufferedReader（new InputStreamReader（input））;

String nameLine = reader.readLine（）;
String ageLine = reader.readLine（）;
String emailLine = reader.readLine（）;
String phoneLine = reader.readLine（）;

注意处理状态是如何由程序执行的程度决定的。换句话说，一旦第一个reader.readLine（）方法返回，你就确定已经读取了整行文本。readLine（）会阻塞直到读取整行，这就是原因。你还知道此行包含名称。同样，当第二个readLine（）调用返回时，你知道此行包含年龄等。

正如你所看到的，只有当有新数据要读取时，程序才会进行，并且对于每个步骤，你都知道该数据是什么。一旦执行的线程已经超过读取代码中的某个数据片段，该线程就不会在数据中向后移动（通常不会）。此图中还说明了此原则：

在这里插入图片描述

NIO的实现看起来会有所不同。这是一个简化的例子：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate（48）;

int bytesRead = inChannel.read（buffer）;

注意第二行从通道读取字节到ByteBuffer。当该方法调用返回时，你不知道所需的所有数据是否都在缓冲区内。你只知道缓冲区包含一些字节。这使得处理更加困难。

想象一下，在第一次读取（缓冲）调用之后，是否所有读入缓冲区的内容都是半行。例如，“姓名：An”。你能处理这些数据吗？并不是的。在完成任何数据的处理之前，你需要等待至少一整行数据进入缓冲区。

那么你怎么知道缓冲区是否包含足够的数据来处理它？好吧，你没有。找出的唯一方法是查看缓冲区中的数据。结果是，在你知道所有数据是否存在之前，你可能需要多次检查缓冲区中的数据。这既低效又可能在程序设计方面变得混乱。例如：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate（48）;

int bytesRead = inChannel.read（buffer）;

while（！bufferFull（bytesRead））{
    bytesRead = inChannel.read（buffer）;
}

bufferFull（）方法必须跟踪读入缓冲区的数据量，并返回true或false，具体取决于缓冲区是否已满。换句话说，如果缓冲区已准备好进行处理，则认为它已满。

bufferFull（）方法扫描缓冲区，但必须使缓冲区保持与调用bufferFull（）方法之前相同的状态。如果不是，则可能无法在正确的位置读入读入缓冲区的下一个数据。这不是不可能的，但这是另一个需要注意的问题。

如果缓冲区已满，则可以对其进行处理。如果它不满，你可能能够部分处理那里的任何数据，如果这在你的特定情况下是有意义的。在许多情况下，它没有。

这个图中说明了is-data-in-buffer-ready循环：

在这里插入图片描述
Java NIO：从通道读取数据，直到所有需要的数据都在缓冲区中。

摘要

NIO允许你仅使用一个（或几个）线程来管理多个通道（网络连接或文件），但成本是解析数据可能比从阻塞流中读取数据时更复杂。

如果你需要同时管理数千个打开的连接，每个只发送一些数据，例如聊天服务器，在NIO中实现服务器可能是一个优势。同样，如果你需要与其他计算机保持大量开放连接，例如在P2P网络中，使用单个线程来管理所有出站连接可能是一个优势。此图中说明了这一个线程，多个连接设计：

在这里插入图片描述
Java NIO：管理多个连接的单个线程。

如果你拥有较少带宽的连接，一次发送大量数据，那么可能最经典的IO服务器实现可能是最合适的。此图说明了经典的IO服务器设计：

在这里插入图片描述
Java IO：经典的IO服务器设计 - 由一个线程处理的一个连接。