Java NIO：NIO概述/IO与NIO的区别

一.NIO中的几个基础概念

在NIO中有几个比较关键的概念：Channel（通道），Buffer（缓冲区），Selector（选择器）。

　　首先从Channel说起吧，通道，顾名思义，就是通向什么的道路，为某个提供了渠道。在传统IO中，我们要读取一个文件中的内容，通常是像下面这样读取的：

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws IOException  {
        File file = new File("data.txt");
        InputStream inputStream = new FileInputStream(file);
        byte[] bytes = new byte[1024];
        inputStream.read(bytes);
        inputStream.close();
    }   
}

这里的InputStream实际上就是为读取文件提供一个通道的。

　　因此可以将NIO 中的Channel同传统IO中的Stream来类比，但是要注意，传统IO中，Stream是单向的，比如InputStream只能进行读取操作，OutputStream只能进行写操作。而Channel是双向的，既可用来进行读操作，又可用来进行写操作。

　　Buffer（缓冲区），是NIO中非常重要的一个东西，在NIO中所有数据的读和写都离不开Buffer。比如上面的一段代码中，读取的数据时放在byte数组当中，而在NIO中，读取的数据只能放在Buffer中。同样地，写入数据也是先写入到Buffer中。

　　下面介绍一下NIO中最核心的一个东西：Selector。可以说它是NIO中最关键的一个部分，Selector的作用就是用来轮询每个注册的Channel，一旦发现Channel有注册的事件发生，便获取事件然后进行处理。

　　比如看下面的这个例子：

用单线程处理一个Selector，然后通过Selector.select()方法来获取到达事件，在获取了到达事件之后，就可以逐个地对这些事件进行响应处理。

二.Channel

在前面已经提到，Channel和传统IO中的Stream很相似。虽然很相似，但是有很大的区别，主要区别为：通道是双向的，通过一个Channel既可以进行读，也可以进行写；而Stream只能进行单向操作，通过一个Stream只能进行读或者写；

　　以下是常用的几种通道：

FileChannel
SocketChanel
ServerSocketChannel
DatagramChannel

　　通过使用FileChannel可以从文件读或者向文件写入数据；通过SocketChannel，以TCP来向网络连接的两端读写数据；通过ServerSocketChanel能够监听客户端发起的TCP连接，并为每个TCP连接创建一个新的SocketChannel来进行数据读写；通过DatagramChannel，以UDP协议来向网络连接的两端读写数据。

　　下面给出通过FileChannel来向文件中写入数据的一个例子：

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws IOException  {
        File file = new File("data.txt");
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(file);
        FileChannel channel = outputStream.getChannel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        String string = "java nio";
        buffer.put(string.getBytes());
        buffer.flip();     //此处必须要调用buffer的flip方法
        channel.write(buffer);
        channel.close();
        outputStream.close();
    }   
}

　　通过上面的程序会向工程目录下的data.txt文件写入字符串"java nio"，注意在调用channel的write方法之前必须调用buffer的flip方法，否则无法正确写入内容，至于具体原因将在下篇博文中具体讲述Buffer的用法时阐述。

三.Buffer

Buffer，故名思意，缓冲区，实际上是一个容器，是一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由Buffer。具体看下面这张图就理解了：

上面的图描述了从一个客户端向服务端发送数据，然后服务端接收数据的过程。客户端发送数据时，必须先将数据存入Buffer中，然后将Buffer中的内容写入通道。服务端这边接收数据必须通过Channel将数据读入到Buffer中，然后再从Buffer中取出数据来处理。

　　在NIO中，Buffer是一个顶层父类，它是一个抽象类，常用的Buffer的子类有：

ByteBuffer
IntBuffer
CharBuffer
LongBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
ShortBuffer

　　如果是对于文件读写，上面几种Buffer都可能会用到。但是对于网络读写来说，用的最多的是ByteBuffer。

　　关于Buffer的具体使用以及它的limit、posiion和capacity这几个属性的理解在下一篇文章中讲述。

四.Selector

Selector类是NIO的核心类，Selector能够检测多个注册的通道上是否有事件发生，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的响应处理。这样一来，只是用一个单线程就可以管理多个通道，也就是管理多个连接。这样使得只有在连接真正有读写事件发生时，才会调用函数来进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程，并且避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。

　　与Selector有关的一个关键类是SelectionKey，一个SelectionKey表示一个到达的事件，这2个类构成了服务端处理业务的关键逻辑。

一、概念

NIO即New IO，这个库是在JDK1.4中才引入的。NIO和IO有相同的作用和目的，但实现方式不同，NIO主要用到的是块，所以NIO的效率要比IO高很多。在Java API中提供了两套NIO，一套是针对标准输入输出NIO，另一套就是网络编程NIO。

二、NIO和IO的主要区别

下表总结了Java IO和NIO之间的主要区别：

1、面向流与面向缓冲

Java IO和NIO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。

2、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）。

3、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。

三、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：

1.对NIO或IO类的API调用。
2.数据处理。
3.用来处理数据的线程数。

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。

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: [email protected] 
Phone: 1234567890

该文本行的流可以这样处理：

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();

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”：