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: 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：

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：

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