Java NIO系列教程(12):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。

Java NIO和IO的主要区别

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

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。

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)。

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。

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。

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。

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:

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:

Java IO: Reading data from a blocking stream.

Java IO: 从一个阻塞的流中读数据 

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”:

Java NIO: Reading data from a channel until all needed data is in buffer. 

Java NIO:从一个通道里读数据,直到所有的数据都读到缓冲区里.

总结

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:

Java NIO: A single thread managing multiple connections.

Java NIO: 单线程管理多个连接

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 IO: A classic IO server design - one connection handled by one thread.

Java IO: 一个典型的IO服务器设计- 一个连接通过一个线程处理.

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