Java-NIO之概述

2016-04-16

Java NIO

为什么使用NIO
NIO概述
NIO与IO的区别
设计上的不同

　　新的输入/输出 (NIO) 库是在JDK1.4中引入的，弥补了原IO的不足，叫做非阻塞IO。本篇博客主要讲解IO与NIO的区别以及NIO的基本概念。

为什么使用NIO

　　NIO的创建目的是为了实现高速 I/O 而无需编写自定义的本机代码。NIO 将最耗时的 I/O 操作(即填充和提取缓冲区)转移回操作系统，因而可以极大地提高速度。I/O 与 NIO 最重要的区别是数据打包和传输的方式， I/O 以流的方式处理数据，而 NIO 以块的方式处理数据。

　　面向流的 I/O 系统一次一个字节地处理数据。一个输入流产生一个字节的数据，一个输出流消费一个字节的数据。一个面向块的 I/O 系统以块的形式处理数据。每一个操作都在一步中产生或者消费一个数据块。按块处理数据比按(流式的)字节处理数据要快得多。

NIO概述

在 Java NIO 中Channel，Buffer 和 Selector 构成了NIO的核心的API。

Channel 和 Buffer
基本上，所有的 IO 在 NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 我们称之为通道，数据可以从Channel通道中读到Buffer中，也可以从Buffer 写到Channel中。如图：

Channel 和 Buffer

Channel和Buffer有好几种类型。如果这些通道涵盖了UDP 和 TCP 网络IO，以及文件IO。

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

Selector
Selector允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。

Selector和Channel的关系

NIO与IO的区别

Java NIO和IO之间的主要差别：

IO：面向流阻塞IO 无
NIO：面向缓冲非阻塞IO 选择器

面向流与面向缓冲
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。Java NIO 处理过程灵活，数据读取到缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动，可对缓冲区的数据进行检测等。
阻塞与非阻塞IO
Java IO 的各种流都是阻塞的。比如，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 非阻塞模式，比如，一个线程从某通道发送请求读取数据，它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，该线程可以继续做其他的事情，直至有数据可读。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。
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。

设计上的不同

API调用

Java NIO 的API调用并不是仅从一个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

在IO中，从InputStream或 Reader逐字节读取数据。如下列文本数据：

Name: xiaoxiaomo
Age: 24
Email: momo@xiaoxiaomo.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();

注意处理状态由程序执行多久决定。比如：String nameLine=reader.readLine()方法返回，表示该行已读完， 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。即，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，该线程不会再回退进行数据。下图也说明了这条原则：

IO读取数据

在NIO中的实现会有所不同，下面是一个简单的例子：

1 2	ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); int bytesRead = inChannel.read(buffer);

注意第二行，从通道读取字节到ByteBuffer。当这个方法返回时，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(1024);
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，如果缓冲区准备好被处理，那么表示缓冲区满了。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”

NIO读取数据