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Java NIO与IO的区别和比较

导读

J2SE1.4以上版本中发布了全新的I/O类库。本文将通过一些实例来简单介绍NIO库提供的一些新特性：非阻塞I/O，字符转换，缓冲以及通道。

一. 介绍NIO

NIO包(java.nio.*)引入了四个关键的抽象数据类型，它们共同解决传统的I/O类中的一些问题。Buffer：它是包含数据且用于读写的线形表结构。其中还提供了一个特殊类用于内存映射文件的I/O操作。

Charset：它提供Unicode字符串影射到字节序列以及逆影射的操作。

Channels：包含socket，file和pipe三种管道，它实际上是双向交流的通道。

Selector：它将多元异步I/O操作集中到一个或多个线程中(它可以被看成是Unix中select()函数或Win32中WaitForSingleEvent()函数的面向对象版本)。

二. 回顾传统

在介绍NIO之前，有必要了解传统的I/O操作的方式。以网络应用为例，传统方式需要监听一个ServerSocket，接受请求的连接为其提供服务(服务通常包括了处理请求并发送响应)图一是服务器的生命周期图，其中标有粗黑线条的部分表明会发生I/O阻塞。

图一

//可以分析创建服务器的每个具体步骤。首先创建ServerSocket

ServerSocket server=new ServerSocket(10000)；//然后接受新的连接请求

Socket newConnection=server.accept()；//对于accept方法的调用将造成阻塞，直到ServerSocket接受到一个连接请求为止。一旦连接请求被接受，服务器可以读客户socket中的请求。

InputStream in =newConnection.getInputStream();

InputStreamReader reader= newInputStreamReader(in);

BufferedReader buffer= newBufferedReader(reader);

Request request= newRequest();while(!request.isComplete()) {

String line=buffer.readLine();

request.addLine(line);

这样的操作有两个问题，首先BufferedReader类的readLine()方法在其缓冲区未满时会造成线程阻塞，只有一定数据填满了缓冲区或者客户关闭了套接字，方法才会返回。其次，它回产生大量的垃圾，BufferedReader创建了缓冲区来从客户套接字读入数据，但是同样创建了一些字符串存储这些数据。虽然BufferedReader内部提供了StringBuffer处理这一问题，但是所有的String很快变成了垃圾需要回收。

同样的问题在发送响应代码中也存在

Response response =request.generateResponse();

OutputStream out=newConnection.getOutputStream();

InputStream in=response.getInputStream()；intch；while(-1 != (ch =in.read())) {

out.write(ch);

}

newConnection.close();

类似的，读写操作被阻塞而且向流中一次写入一个字符会造成效率低下，所以应该使用缓冲区，但是一旦使用缓冲，流又会产生更多的垃圾。

传统的解决方法

通常在Java中处理阻塞I/O要用到线程(大量的线程)。一般是实现一个线程池用来处理请求，如图二

图二

线程使得服务器可以处理多个连接，但是它们也同样引发了许多问题。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些CPU时间，耗费很大，而且很多时间是浪费在阻塞的I/O操作上，没有有效的利用CPU。

三. 新I/O

1． Buffer

传统的I/O不断的浪费对象资源(通常是String)。新I/O通过使用Buffer读写数据避免了资源浪费。Buffer对象是线性的，有序的数据集合，它根据其类别只包含唯一的数据类型。

java.nio.Buffer //类描述

java.nio.ByteBuffer //包含字节类型。可以从ReadableByteChannel中读在 WritableByteChannel中写

java.nio.MappedByteBuffer //包含字节类型，直接在内存某一区域映射

java.nio.CharBuffer //包含字符类型，不能写入通道

java.nio.DoubleBuffer //包含double类型，不能写入通道

java.nio.FloatBuffer //包含float类型

java.nio.IntBuffer //包含int类型

java.nio.LongBuffer //包含long类型

java.nio.ShortBuffer //包含short类型

可以通过调用allocate(int capacity)方法或者allocateDirect(int capacity)方法分配一个Buffer。特别的，你可以创建MappedBytesBuffer通过调用FileChannel.map(int mode,long position,int size)。直接(direct)buffer在内存中分配一段连续的块并使用本地访问方法读写数据。非直接(nondirect)buffer通过使用Java中的数组访问代码读写数据。有时候必须使用非直接缓冲例如使用任何的wrap方法(如ByteBuffer.wrap(byte[]))在Java数组基础上创建buffer。

2．字符编码

向ByteBuffer中存放数据涉及到两个问题：字节的顺序和字符转换。ByteBuffer内部通过ByteOrder类处理了字节顺序问题，但是并没有处理字符转换。事实上，ByteBuffer没有提供方法读写String。

Java.nio.charset.Charset处理了字符转换问题。它通过构造CharsetEncoder和CharsetDecoder将字符序列转换成字节和逆转换。

3．通道(Channel)

你可能注意到现有的java.io类中没有一个能够读写Buffer类型，所以NIO中提供了Channel类来读写Buffer。通道可以认为是一种连接，可以是到特定设备，程序或者是网络的连接。通道的类等级结构图如下

图三

图中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分别用于读写。

GatheringByteChannel可以从使用一次将多个Buffer中的数据写入通道，相反的，ScatteringByteChannel则可以一次将数据从通道读入多个Buffer中。你还可以设置通道使其为阻塞或非阻塞I/O操作服务。

为了使通道能够同传统I/O类相容，Channel类提供了静态方法创建Stream或Reader

4． Selector

在过去的阻塞I/O中，我们一般知道什么时候可以向stream中读或写，因为方法调用直到stream准备好时返回。但是使用非阻塞通道，我们需要一些方法来知道什么时候通道准备好了。在NIO包中，设计Selector就是为了这个目的。SelectableChannel可以注册特定的事件，而不是在事件发生时通知应用，通道跟踪事件。然后，当应用调用Selector上的任意一个selection方法时，它查看注册了的通道看是否有任何感兴趣的事件发生。图四是selector和两个已注册的通道的例子

并不是所有的通道都支持所有的操作。SelectionKey类定义了所有可能的操作位，将要用两次。首先，当应用调用SelectableChannel.register(Selector sel,int op)方法注册通道时，它将所需操作作为第二个参数传递到方法中。然后，一旦SelectionKey被选中了，SelectionKey的readyOps()方法返回所有通道支持操作的数位的和。SelectableChannel的validOps方法返回每个通道允许的操作。注册通道不支持的操作将引发IllegalArgumentException异常。下表列出了SelectableChannel子类所支持的操作。

IllegalArgumentException异常。下表列出了SelectableChannel子类所支持的操作。

ServerSocketChannel OP_ACCEPT

SocketChannel OP_CONNECT, OP_READ, OP_WRITE

DatagramChannel OP_READ, OP_WRITE

Pipe.SourceChannel OP_READ

Pipe.SinkChannel OP_WRITE

四. 举例说明

1．简单网页内容下载

这个例子非常简单，类SocketChannelReader使用SocketChannel来下载特定网页的HTML内容。

importjava.nio.ByteBuffer;importjava.nio.channels.SocketChannel;importjava.nio.charset.Charset;importjava.net.InetSocketAddress;importjava.io.IOException;public classSocketChannelReader {private Charset charset = Charset.forName("UTF-8");//创建UTF-8字符集

privateSocketChannel channel;public voidgetHTMLContent() {try{

connect();

sendRequest();

readResponse();

}catch(IOException e) {

System.err.println(e.toString());

}finally{if (channel != null) {try{

channel.close();

}catch(IOException e) {

}

}private void connect() throws IOException {//连接到CSDN

InetSocketAddress socketAddress = newInetSocketAddress("www.csdn.net", 80);

channel=SocketChannel.open(socketAddress);//使用工厂方法open创建一个channel并将它连接到指定地址上//相当与SocketChannel.open().connect(socketAddress);调用

}private void sendRequest() throwsIOException {

channel.write(charset.encode("GET " + "/document" + "\r\n\r\n"));//发送GET请求到CSDN的文档中心//使用channel.write方法，它需要CharByte类型的参数，使用//Charset.encode(String)方法转换字符串。

}private void readResponse() throws IOException {//读取应答

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);//创建1024字节的缓冲

while (channel.read(buffer) != -1) {

buffer.flip();//flip方法在读缓冲区字节操作之前调用。

System.out.println(charset.decode(buffer));//使用Charset.decode方法将字节转换为字符串

buffer.clear();//清空缓冲

}

}public static voidmain(String[] args) {try{newSocketChannelReader().getHTMLContent();

}catch(Exception e) {

e.printStackTrace();

}

2．简单的加法服务器和客户机

服务器代码

packagemjorcen.nio.test;importjava.nio.ByteBuffer;importjava.nio.IntBuffer;importjava.nio.channels.ServerSocketChannel;importjava.nio.channels.SocketChannel;importjava.net.InetSocketAddress;importjava.io.IOException;/*** SumServer.java

* Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003

*@authorstarchu1981

*@version1.0*/

public classSumServer {private ByteBuffer _buffer = ByteBuffer.allocate(8);private IntBuffer _intBuffer =_buffer.asIntBuffer();private SocketChannel _clientChannel = null;private ServerSocketChannel _serverChannel = null;public voidstart() {try{

openChannel();

waitForConnection();

}catch(IOException e) {

System.err.println(e.toString());

}

}private void openChannel() throwsIOException {

_serverChannel=ServerSocketChannel.open();

_serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000));

System.out.println("服务器通道已经打开");

}private void waitForConnection() throwsIOException {while (true) {

_clientChannel=_serverChannel.accept();if (_clientChannel != null) {

System.out.println("新的连接加入");

processRequest();

_clientChannel.close();

}

}private void processRequest() throwsIOException {

_buffer.clear();

_clientChannel.read(_buffer);int result = _intBuffer.get(0) + _intBuffer.get(1);

_buffer.flip();

_buffer.clear();

_intBuffer.put(0, result);

_clientChannel.write(_buffer);

}public static voidmain(String[] args) {newSumServer().start();

}

}//SumServer

客户代码

packagemjorcen.nio.test;importjava.nio.ByteBuffer;importjava.nio.IntBuffer;importjava.nio.channels.SocketChannel;importjava.net.InetSocketAddress;importjava.io.IOException;/*** SumClient.java

* Created: Thu Nov 06 11:26:06 2003

*@authorstarchu1981

*@version1.0*/

public classSumClient {private ByteBuffer _buffer = ByteBuffer.allocate(8);privateIntBuffer _intBuffer;privateSocketChannel _channel;publicSumClient() {

_intBuffer=_buffer.asIntBuffer();

}//SumClient constructor

public int getSum(int first, intsecond) {int result = 0;try{

_channel=connect();

sendSumRequest(first, second);

result=receiveResponse();

}catch(IOException e) {

System.err.println(e.toString());

}finally{if (_channel != null) {try{

_channel.close();

}catch(IOException e) {

}

}returnresult;

}private SocketChannel connect() throwsIOException {

InetSocketAddress socketAddress= new InetSocketAddress("localhost",10000);returnSocketChannel.open(socketAddress);

}private void sendSumRequest(int first, int second) throwsIOException {

_buffer.clear();

_intBuffer.put(0, first);

_intBuffer.put(1, second);

_channel.write(_buffer);

System.out.println("发送加法请求 " + first + "+" +second);

}private int receiveResponse() throwsIOException {

_buffer.clear();

_channel.read(_buffer);return _intBuffer.get(0);

}public static voidmain(String[] args) {

SumClient sumClient= newSumClient();

System.out.println("加法结果为 :" + sumClient.getSum(100, 324));

}

}//SumClient

3．非阻塞的加法服务器

首先在openChannel方法中加入语句

_serverChannel.configureBlocking(false);//设置成为非阻塞模式

重写WaitForConnection方法的代码如下，使用非阻塞方式 (这里我稍微改了下,不知道对不对, 原来博主的跑不了,)

private void waitForConnection() throwsIOException {

Selector acceptSelector=SelectorProvider.provider().openSelector();/** 在服务器套接字上注册selector并设置为接受accept方法的通知。

* 这就告诉Selector，套接字想要在accept操作发生时被放在ready表上，因此，允许多元非阻塞I/O发生。*/SelectionKey acceptKey=_serverChannel.register(acceptSelector,

SelectionKey.OP_ACCEPT);int keysAdded = 0;/*select方法在任何上面注册了的操作发生时返回*/

while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) {//某客户已经准备好可以进行I/O操作了，获取其ready键集合

Set readyKeys =acceptSelector.selectedKeys();

Iterator i=readyKeys.iterator();//遍历ready键集合，并处理加法请求

while(i.hasNext()) {

SelectionKey sk=(SelectionKey) i.next();

i.remove();

ServerSocketChannel nextReady=(ServerSocketChannel) sk

.channel();//接受加法请求并处理它

_clientChannel =nextReady.accept().socket().getChannel();

processRequest();

_clientChannel.close();

}

服务端整体改完之后代码:

packagemjorcen.nio.test;importjava.io.IOException;importjava.net.InetSocketAddress;importjava.net.Socket;importjava.nio.ByteBuffer;importjava.nio.IntBuffer;importjava.nio.channels.SelectableChannel;importjava.nio.channels.SelectionKey;importjava.nio.channels.Selector;importjava.nio.channels.ServerSocketChannel;importjava.nio.channels.SocketChannel;importjava.nio.channels.spi.SelectorProvider;importjava.util.Iterator;importjava.util.Set;/*** SumServer.java

* Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003

*@authorstarchu1981

*@version1.0*/

openChannel();

waitForConnection();

}catch(IOException e) {

System.err.println(e.toString());

}

}private void openChannel() throwsIOException {

_serverChannel=ServerSocketChannel.open();

_serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000));

_serverChannel.configureBlocking(false);//设置成为非阻塞模式