Java中IO与NIO的区别和使用场景

这几天主要学习了NIO，因为之前对IO使用的也比较多，所以有一个简单的对比，并且把学习的成果记录下来。

java.NIO包里包括三个基本的组件
l buffer：因为NIO是基于缓冲的，所以buffer是最底层的必要类，这也是IO和NIO的根本不同，虽然stream等有buffer开头的扩展类，但只是流的包装类，还是从流读到缓冲区，而NIO却是直接读到buffer中进行操作。


因为读取的都是字节，所以在操作文字时，要用charset类进行编解码操作。
l channel：类似于IO的stream，但是不同的是除了FileChannel，其他的channel都能以非阻塞状态运行。FileChannel执行的是文件的操作，可以直接DMA操作内存而不依赖于CPU。其他比如socketchannel就可以在数据准备好时才进行调用。
l selector：用于分发请求到不同的channel，这样才能确保channel不处于阻塞状态就可以收发消息。

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。

补充一点：NIO的buffer可以使用直接内存缓冲区，该缓冲区不在JVM中，性能会比JVM的缓冲区略好，不过会增加相应的垃圾回收的负担，因为JVM缓冲区的性能已经足够好，所以除非在对缓冲有特别要求的地方使用直接缓冲区，尽量使用JVM缓冲。

阻塞与非阻塞

Java IO是阻塞式的操作，当一个inputstream或outputstream在进行read（）或write（）操作时，是一直处于等待状态的，直到有数据读/写入后才进行处理.而NIO是非阻塞式的,当进行读写操作时,只会返回当前已经准备好的数据,没有就返回空,这样当前线程就可以处理其他的事情,提高了资源的使用率.

与传统IO的优势

在老的IO包中，serverSocket和socket都是阻塞式的，因此一旦有大规模的并发行为，而每一个访问都会开启一个新线程。这时会有大规模的线程上下文切换操作（因为都在等待，所以资源全都被已有的线程吃掉了），这时无论是等待的线程还是正在处理的线程，响应率都会下降，并且会影响新的线程。

而NIO包中的serverSocket和socket就不是这样，只要注册到一个selector中，当有数据放入通道的时候，selector就会得知哪些channel就绪，这时就可以做响应的处理，这样服务端只有一个线程就可以处理大部分情况（当然有些持续性操作，比如上传下载一个大文件，用NIO的方式不会比IO好）。



通过两个图的比较，可以看出IO是直连的，每个请求都给一条线程来处理，但是NIO却是基于反应堆（selector）来处理，直到读写的数据准备好后，才会通知相应的线程来进行处理。一言以蔽之：“selector不会让channel白占资源，没事的时候给我去睡觉。”
PS:NIO基于字节进行传输，在IO时要注意decode/encode。

这里贴出一个基于Tcp的通信操作,体现出了NIO在处理小字节片的优势,比如用一个服务端程序就可以处理所有的客户端请求:

TCPProtocol接口
/** * TCPServerSelector与特定协议间通信的接口 * * @date 2010-2-3 * @time 上午08:42:42 * @version 1.00 */ publicinterface TCPProtocol{ /** * 接收一个SocketChannel的处理 * @param key * @throws IOException */ void handleAccept(SelectionKey key) throws IOException; /** * 从一个SocketChannel读取信息的处理 * @param key * @throws IOException */ void handleRead(SelectionKey key) throws IOException; /** * 向一个SocketChannel写入信息的处理 * @param key * @throws IOException */ void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException; }

TCPProtocol实现类
/** * TCPProtocol的实现类 * * @date 2010-2-3 * @time 上午08:58:59 * @version 1.00 */ publicclass TCPProtocolImpl implements TCPProtocol{ privateintbufferSize; public TCPProtocolImpl(intbufferSize){ this.bufferSize=bufferSize; } publicvoid handleAccept(SelectionKey key) throws IOException { SocketChannel clientChannel=((ServerSocketChannel)key.channel()).accept(); clientChannel.configureBlocking(false); clientChannel.register(key.selector(),SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocate(bufferSize)); } publicvoid handleRead(SelectionKey key) throws IOException { // 获得与客户端通信的信道 SocketChannel clientChannel=(SocketChannel)key.channel(); // 得到并清空缓冲区 ByteBuffer buffer=(ByteBuffer)key.attachment(); buffer.clear(); // 读取信息获得读取的字节数 longbytesRead=clientChannel.read(buffer); if(bytesRead==-1){ // 没有读取到内容的情况 clientChannel.close(); } else{ // 将缓冲区准备为数据传出状态 buffer.flip(); // 将字节转化为为UTF-16的字符串 String receivedString=Charset.forName(“UTF-16”).newDecoder().decode(buffer).toString(); // 控制台打印出来 System.out.println(”接收到来自”+clientChannel.socket().getRemoteSocketAddress()+”的信息:”+receivedString); // 准备发送的文本 String sendString=”你好,客户端. @”+newDate().toString()+”，已经收到你的信息”+receivedString; buffer=ByteBuffer.wrap(sendString.getBytes(“UTF-16”)); clientChannel.write(buffer); // 设置为下一次读取或是写入做准备 key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE); } } publicvoid handleWrite(SelectionKey key) throws IOException { // do nothing } }

服务器
/** * TCP服务器端 * * @date 2010-2-3 * @time 上午08:39:48 * @version 1.00 */ publicclass TCPServer{ // 缓冲区大小 privatestaticfinalintBufferSize=1024; // 超时时间，单位毫秒 privatestaticfinalintTimeOut=3000; // 本地监听端口 privatestaticfinalintListenPort=1978; publicstaticvoid main(String[] args) throws IOException{ // 创建选择器 Selector selector=Selector.open(); // 打开监听信道 ServerSocketChannel listenerChannel=ServerSocketChannel.open(); // 与本地端口绑定 listenerChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(ListenPort)); // 设置为非阻塞模式 listenerChannel.configureBlocking(false); // 将选择器绑定到监听信道,只有非阻塞信道才可以注册选择器.并在注册过程中指出该信道可以进行Accept操作 listenerChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); // 创建一个处理协议的实现类,由它来具体操作 TCPProtocol protocol=new TCPProtocolImpl(BufferSize); // 反复循环,等待IO while(true){ // 等待某信道就绪(或超时) if(selector.select(TimeOut)==0){ System.out.print(”独自等待.”); continue; } // 取得迭代器.selectedKeys()中包含了每个准备好某一I/O操作的信道的SelectionKey Iterator<SelectionKey>keyIter=selector.selectedKeys().iterator(); while(keyIter.hasNext()){ SelectionKey key=keyIter.next(); try{ if(key.isAcceptable()){ // 有客户端连接请求时 protocol.handleAccept(key); } if(key.isReadable()){ // 从客户端读取数据 protocol.handleRead(key); } if(key.isValid() &&key.isWritable()){ // 客户端可写时 protocol.handleWrite(key); } } catch(IOException ex){ // 出现IO异常（如客户端断开连接）时移除处理过的键 keyIter.remove(); continue; } // 移除处理过的键 keyIter.remove(); } } } }

TCPClient客户端程序
/** * NIO TCP 客户端 * * @date 2010-2-3 * @time 下午03:33:26 * @version 1.00 */ publicclass TCPClient{ // 信道选择器 private Selector selector; // 与服务器通信的信道 SocketChannel socketChannel; // 要连接的服务器Ip地址 private String hostIp; // 要连接的远程服务器在监听的端口 privateinthostListenningPort; /** * 构造函数 * @param HostIp * @param HostListenningPort * @throws IOException */ public TCPClient(String HostIp,intHostListenningPort)throws IOException{ this.hostIp=HostIp; this.hostListenningPort=HostListenningPort; initialize(); } /** * 初始化 * @throws IOException */ privatevoid initialize() throws IOException{ // 打开监听信道并设置为非阻塞模式 socketChannel=SocketChannel.open(new InetSocketAddress(hostIp, hostListenningPort)); socketChannel.configureBlocking(false); // 打开并注册选择器到信道 selector = Selector.open(); socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // 启动读取线程 new TCPClientReadThread(selector); } /** * 发送字符串到服务器 * @param message * @throws IOException */ publicvoid sendMsg(String message) throws IOException{ ByteBuffer writeBuffer=ByteBuffer.wrap(message.getBytes(“UTF-16”)); socketChannel.write(writeBuffer); } publicstaticvoid main(String[] args) throws IOException{ TCPClient client=new TCPClient(“127.0.0.1”,1978); String str = “”; for(inti=0; i<1000; i++) { str+=i+“,”; } client.sendMsg(str); } }

客户端接收线程
public TCPClientReadThread(Selector selector){ this.selector=selector; new Thread(this).start(); } publicvoid run() { try { while (selector.select() > 0) { // 遍历每个有可用IO操作Channel对应的SelectionKey for (SelectionKey sk : selector.selectedKeys()) { // 如果该SelectionKey对应的Channel中有可读的数据 if (sk.isReadable()) { // 使用NIO读取Channel中的数据 SocketChannel sc = (SocketChannel)sk.channel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); sc.read(buffer); buffer.flip(); // 将字节转化为为UTF-16的字符串 String receivedString=Charset.forName(“UTF-16”).newDecoder().decode(buffer).toString(); // 控制台打印出来 System.out.println(”接收到来自服务器”+sc.socket().getRemoteSocketAddress()+”的信息:”+receivedString); // 为下一次读取作准备 sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ); } // 删除正在处理的SelectionKey selector.selectedKeys().remove(sk); } } } catch (IOException ex) { ex.printStackTrace(); } } }

文件读取的性能

我们已知的文件读写包括三种方式：流读写、channel（缓冲读写）、直接内存缓冲区读写。



面向流的读写


文件映射的方式 由图可见，文件映射的方式比传统方式不用的是，再也不用磁盘控制器拷贝到内核空间了，只需要根据对物理内存的映射，就能让进程直接操作磁盘了。但是直接内存映射的方式会使用双倍内存，就是说在JVM和物理内存中，他会有两份空间，因此使用的时候可以权衡一下性能。 代码示例： public class FileCopyTest { public static void main(String[]args) throws Exception{ StringsourcePath = “F:\mywork\javademo\dir1\movie.avi”; StringdestPath1 = “F:\mywork\javademo\dir2\movie1.avi”; StringdestPath2 = “F:\mywork\javademo\dir2\movie2.avi”; StringdestPath3 = “F:\mywork\javademo\dir2\movie3.avi”; long t1 = System.currentTimeMillis(); traditionalCopy(sourcePath,destPath1); long t2 = System.currentTimeMillis(); System.out.println(“传统IO方法实现文件拷贝耗时:” + (t2-t1) + “ms”); nioCopy(sourcePath,destPath2); long t3 = System.currentTimeMillis(); System.out.println(“利用NIO文件通道方法实现文件拷贝耗时:” + (t3-t2) + “ms”); nioCopy2(sourcePath,destPath3); long t4 = System.currentTimeMillis(); System.out.println(“利用NIO文件内存映射及文件通道实现文件拷贝耗时:” + (t4-t3) + “ms”); } private static void nioCopy2(StringsourcePath, String destPath) throws Exception { File source = new File(sourcePath); File dest = new File(destPath); if(!dest.exists()){ dest.createNewFile(); } FileInputStreamfis = new FileInputStream(source); FileOutputStreamfos = new FileOutputStream(dest); FileChannelsourceCh = fis.getChannel(); FileChanneldestCh = fos.getChannel(); MappedByteBuffermbb = sourceCh.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, sourceCh.size()); destCh.write(mbb); sourceCh.close(); destCh.close(); } private static void traditionalCopy(StringsourcePath, String destPath) throws Exception{ File source = new File(sourcePath); File dest = new File(destPath); if(!dest.exists()){ dest.createNewFile(); } FileInputStreamfis = new FileInputStream(source); FileOutputStreamfos = new FileOutputStream(dest); byte [] buf = newbyte [512]; int len = 0; while((len =fis.read(buf)) != -1) { fos.write(buf, 0, len); } fis.close(); fos.close(); } private static void nioCopy(StringsourcePath, String destPath) throws Exception{ File source = new File(sourcePath); File dest = new File(destPath); if(!dest.exists()){ dest.createNewFile(); } FileInputStreamfis = new FileInputStream(source); FileOutputStreamfos = new FileOutputStream(dest); FileChannelsourceCh = fis.getChannel(); FileChanneldestCh = fos.getChannel(); destCh.transferFrom(sourceCh, 0, sourceCh.size()); sourceCh.close(); destCh.close(); } } 每执行完一次拷贝之后，将F:myworkjavademodir2目录中的内容删除掉，重复执行8次。观察测试结果如下：时间单位为ms(毫秒)


由上表可知，传统IO方式平均拷贝完成时间约为1968ms，NIO文件通道方式平均拷贝完成时间约为1672ms，文件内存映射及文件通道方式平均拷贝完成时间约为1418ms。 文章参考自： http://www.open-open.com/lib/view/open1413518521372.html http://weixiaolu.iteye.com/blog/1479656