什么時(shí)候使用NIO？

Taste 發(fā)布于2019-08-19 10:42 / 627人閱讀

摘要：一前言學(xué)習(xí)了和之后，肯定會問我們到底什么時(shí)候該使用，什么時(shí)候該使用在下文中我會嘗試用例子闡述和的區(qū)別，以及它們對你的設(shè)計(jì)會有什么影響。

一、前言

學(xué)習(xí)了Java IO 和 NIO之后，肯定會問：我們到底什么時(shí)候該使用 IO，什么時(shí)候該使用 NIO?
在下文中我會嘗試用例子闡述java NIO 和IO的區(qū)別，以及它們對你的設(shè)計(jì)會有什么影響。

二、NIO和IO的主要區(qū)別

IO	NIO
面向流（Stream）	面向緩沖（Buffer）
阻塞IO	非阻塞IO
無	選擇器（Selectors）

2.1 面向流與面向緩沖

Java NIO 和 IO 之間第一個(gè)最大的區(qū)別是，IO是面向流的，NIO是面向緩沖區(qū)的。

Java IO 面向流意味著每次從流中讀一個(gè)或多個(gè)字節(jié)，直至讀取所有字節(jié)，只能順序讀取所有數(shù)據(jù)。如果想要跳過一些字節(jié)或者想要讀取已經(jīng)讀取過的數(shù)據(jù)，則必須將從流中的數(shù)據(jù)線緩存起來。

Java NIO的處理方式不一樣。數(shù)據(jù)一開始就被讀寫到緩沖區(qū)（Buffer），根據(jù)需要你可以控制讀取什么位置的數(shù)據(jù)。這就增加了處理過程中的靈活性。然而，你需要額外做的工作是檢查你需要的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)全部到了Buffer中，你還需要保證當(dāng)有更多的數(shù)據(jù)進(jìn)入Buffer中時(shí)，Buffer中未處理的數(shù)據(jù)不會被覆蓋

2.2 阻塞與非阻塞IO

Java IO的各種流是阻塞的。這意味著，當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用read() 或 write()時(shí)，該線程被阻塞，直到有一些數(shù)據(jù)被讀取，或數(shù)據(jù)完全寫入。該線程在此期間不能再干任何事情了。

Java NIO的非阻塞模式，使一個(gè)線程從某通道發(fā)送請求讀取數(shù)據(jù)，但是它僅能得到目前可用的數(shù)據(jù)，如果目前沒有數(shù)據(jù)可用時(shí)，就什么都不會獲取。而不是保持線程阻塞，所以直至數(shù)據(jù)變的可以讀取之前，該線程可以繼續(xù)做其他的事情。非阻塞寫也是如此。一個(gè)線程請求寫入一些數(shù)據(jù)到某通道，但不需要等待它完全寫入，這個(gè)線程同時(shí)可以去做別的事情。線程通常將非阻塞IO的空閑時(shí)間用于在其它通道上執(zhí)行IO操作，所以一個(gè)多帶帶的線程現(xiàn)在可以管理多個(gè)輸入和輸出通道（channel）。

2.3 Selectors

Java NIO 的 Selectors 允許一條線程去監(jiān)控多個(gè) channels 的輸入，你可以向一個(gè) selector 上注冊多個(gè)channel，然后調(diào)用 selector 的 select() 方法判斷是否有新的連接進(jìn)來或者已經(jīng)在 selector 上注冊時(shí)channel 是否有數(shù)據(jù)進(jìn)入。selector 的機(jī)制讓一個(gè)線程管理多個(gè) channel變得簡單。

三、NIO和IO對應(yīng)用的設(shè)計(jì)有何影響

選擇使用NIO還是IO做你的IO工具對應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面的影響
1、使用IO和NIO的API是不同的（廢話）
2、處理數(shù)據(jù)的方式
3、處理數(shù)據(jù)所用到的線程數(shù)

3.1 API調(diào)用

當(dāng)然，使用NIO的API調(diào)用時(shí)看起來與使用IO時(shí)有所不同，但這并不意外，因?yàn)椴⒉皇莾H從一個(gè)InputStream逐字節(jié)讀取，而是數(shù)據(jù)必須先讀入緩沖區(qū)再處理。

3.2 處理數(shù)據(jù)的方式

在IO的設(shè)計(jì)里，要一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)從InputStream 或者Reader中讀取數(shù)據(jù)，想象你正在處理一個(gè)向下面的基于行分割的流

Name:Anna  
Age: 25  
Email: anna@mailserver.com  
Phone:1234567890

處理文本行的流的代碼應(yīng)該向下面這樣

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，一旦reader.readLine()方法返回，你就可以確定整行已經(jīng)被讀取，readLine()阻塞知道一整行都被讀取

NIO的實(shí)現(xiàn)會有一些不同，下面是一個(gè)簡單的例子

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);  
  
int bytesRead = inChannel.read(buffer);

注意第二行從channel中讀取數(shù)據(jù)到ByteBuffer，當(dāng)這個(gè)方法返回你不知道是否你需要的所有數(shù)據(jù)都被讀到buffer了，你所知道的一切就是有一些數(shù)據(jù)被讀到了buffer中，但是你并不知道具體有多少數(shù)據(jù)，這使程序的處理變得稍微有些困難

想象一下，調(diào)用了read(buffer)方法后，只有半行數(shù)據(jù)被讀進(jìn)了buffer，例如：“Name: An”，你能現(xiàn)在就處理數(shù)據(jù)嗎？當(dāng)然不能。你需要等待直到至少一整行數(shù)據(jù)被讀到buffer中，在這之前確保程序不要處理buffer中的數(shù)據(jù)

你如何知道buffer中是否有足夠的數(shù)據(jù)可以被處理呢？你不知道，唯一的方法就是檢查buffer中的數(shù)據(jù)。可能你會進(jìn)行幾次無效的檢查（檢查了幾次數(shù)據(jù)都不夠進(jìn)行處理），這會令程序設(shè)計(jì)變得比較混亂復(fù)雜

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);  
  
int bytesRead = inChannel.read(buffer);  
  
while(! bufferFull(bytesRead) ) {  
    bytesRead = inChannel.read(buffer);  
}

bufferFull()方法必須跟蹤有多少數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)，并返回真或假，這取決于緩沖區(qū)是否已滿。換句話說，如果緩沖區(qū)準(zhǔn)備好被處理，那么表示緩沖區(qū)滿了。

bufferFull()方法掃描緩沖區(qū)，但必須保持在bufferFull（）方法被調(diào)用之前狀態(tài)相同。如果沒有，下一個(gè)讀入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)可能無法讀到正確的位置。這是不可能的，但卻是需要注意的又一問題。

如果緩沖區(qū)已滿，它可以被處理。如果它不滿，并且在你的實(shí)際案例中有意義，你或許能處理其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)。但是許多情況下并非如此。下圖展示了“緩沖區(qū)數(shù)據(jù)循環(huán)就緒”：

3.3 用來處理數(shù)據(jù)的線程數(shù)

NIO可讓您只使用一個(gè)（或幾個(gè)）單線程管理多個(gè)通道（網(wǎng)絡(luò)連接或文件），但付出的代價(jià)是解析數(shù)據(jù)可能會比從一個(gè)阻塞流中讀取數(shù)據(jù)更復(fù)雜。

如果需要管理同時(shí)打開的成千上萬個(gè)連接，這些連接每次只是發(fā)送少量的數(shù)據(jù)，例如聊天服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)NIO的服務(wù)器可能是一個(gè)優(yōu)勢。同樣，如果你需要維持許多打開的連接到其他計(jì)算機(jī)上，如P2P網(wǎng)絡(luò)中，使用一個(gè)多帶帶的線程來管理你所有出站連接，可能是一個(gè)優(yōu)勢。一個(gè)線程多個(gè)連接的設(shè)計(jì)方案如下圖所示：

如果你只有少量的連接但是每個(gè)連接都占有很高的帶寬，同時(shí)發(fā)送很多數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的IO會更適合。下圖說明了一個(gè)典型的IO服務(wù)器設(shè)計(jì)：

Java IO: 一個(gè)典型的IO服務(wù)器設(shè)計(jì)- 一個(gè)連接通過一個(gè)線程處理.