java中IO和NIO的区别和适用场景

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);

&n
152db
bsp;

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:\mywork\javademo\dir2\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