Java NIO與IO的區(qū)別和比較
J2SE1.4以上版本中發(fā)布了全新的I/O類庫。本文將通過一些實例來簡單介紹NIO庫提供的一些新特性：非阻塞I/O伞矩，字符轉(zhuǎn)換笛洛，緩沖以及通道。
一. 介紹NIO
NIO包（java.nio.*）引入了四個關(guān)鍵的抽象數(shù)據(jù)類型乃坤，它們共同解決傳統(tǒng)的I/O類中的一些問題苛让。
1． Buffer：它是包含數(shù)據(jù)且用于讀寫的線形表結(jié)構(gòu)。其中還提供了一個特殊類用于內(nèi)存映射文件的I/O操作湿诊。
2． Charset：它提供Unicode字符串影射到字節(jié)序列以及逆影射的操作狱杰。
3． Channels：包含socket，file和pipe三種管道厅须，它實際上是雙向交流的通道仿畸。
4． Selector：它將多元異步I/O操作集中到一個或多個線程中（它可以被看成是Unix中select（）函數(shù)或Win32中WaitForSingleEvent（）函數(shù)的面向?qū)ο蟀姹荆?/p>
二. 回顧傳統(tǒng)
在介紹NIO之前，有必要了解傳統(tǒng)的I/O操作的方式朗和。以網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為例错沽，傳統(tǒng)方式需要監(jiān)聽一個ServerSocket，接受請求的連接為其提供服務(wù)（服務(wù)通常包括了處理請求并發(fā)送響應(yīng)）圖一是服務(wù)器的生命周期圖眶拉，其中標(biāo)有粗黑線條的部分表明會發(fā)生I/O阻塞千埃。
圖一
可以分析創(chuàng)建服務(wù)器的每個具體步驟。首先創(chuàng)建ServerSocket
ServerSocket server=new ServerSocket（10000）忆植；
然后接受新的連接請求
Socket newConnection=server.accept（）放可；
對于accept方法的調(diào)用將造成阻塞，直到ServerSocket接受到一個連接請求為止朝刊。一旦連接請求被接受耀里，服務(wù)器可以讀客戶socket中的請求。
InputStreamin=newConnection.getInputStream();
InputStreamReaderreader=newInputStreamReader(in);
BufferedReaderbuffer=newBufferedReader(reader);
Requestrequest=newRequest();
while(!request.isComplete()){
Stringline=buffer.readLine();
request.addLine(line);
}
這樣的操作有兩個問題拾氓，首先BufferedReader類的readLine（）方法在其緩沖區(qū)未滿時會造成線程阻塞冯挎，只有一定數(shù)據(jù)填滿了緩沖區(qū)或者客戶關(guān)閉了套接字，方法才會返回痪枫。其次织堂，它回產(chǎn)生大量的垃圾叠艳，BufferedReader創(chuàng)建了緩沖區(qū)來從客戶套接字讀入數(shù)據(jù)奶陈，但是同樣創(chuàng)建了一些字符串存儲這些數(shù)據(jù)。雖然BufferedReader內(nèi)部提供了StringBuffer處理這一問題附较，但是所有的String很快變成了垃圾需要回收吃粒。
同樣的問題在發(fā)送響應(yīng)代碼中也存在
Responseresponse=request.generateResponse();
OutputStreamout=newConnection.getOutputStream();
InputStreamin=response.getInputStream()；
intch拒课；
while(-1!=(ch=in.read())){
out.write(ch);
}
newConnection.close();
類似的徐勃，讀寫操作被阻塞而且向流中一次寫入一個字符會造成效率低下事示，所以應(yīng)該使用緩沖區(qū)，但是一旦使用緩沖僻肖，流又會產(chǎn)生更多的垃圾肖爵。
傳統(tǒng)的解決方法
通常在Java中處理阻塞I/O要用到線程（大量的線程）。一般是實現(xiàn)一個線程池用來處理請求臀脏，如圖二
圖二
線程使得服務(wù)器可以處理多個連接劝堪，但是它們也同樣引發(fā)了許多問題。每個線程擁有自己的椚嘀桑空間并且占用一些CPU時間秒啦，耗費(fèi)很大，而且很多時間是浪費(fèi)在阻塞的I/O操作上搀玖，沒有有效的利用CPU余境。
三. 新I/O
1．Buffer
傳統(tǒng)的I/O不斷的浪費(fèi)對象資源（通常是String）。新I/O通過使用Buffer讀寫數(shù)據(jù)避免了資源浪費(fèi)灌诅。Buffer對象是線性的芳来，有序的數(shù)據(jù)集合，它根據(jù)其類別只包含唯一的數(shù)據(jù)類型延塑。
java.nio.Buffer類描述
java.nio.ByteBuffer 包含字節(jié)類型绣张。 可以從ReadableByteChannel中讀在 WritableByteChannel中寫
java.nio.MappedByteBuffer 包含字節(jié)類型，直接在內(nèi)存某一區(qū)域映射
java.nio.CharBuffer 包含字符類型关带，不能寫入通道
java.nio.DoubleBuffer 包含double類型侥涵，不能寫入通道
java.nio.FloatBuffer 包含float類型
java.nio.IntBuffer 包含int類型
java.nio.LongBuffer 包含long類型
java.nio.ShortBuffer 包含short類型
可以通過調(diào)用allocate(int capacity)方法或者allocateDirect(int capacity)方法分配一個Buffer。特別的宋雏，你可以創(chuàng)建MappedBytesBuffer通過調(diào)用FileChannel.map(int mode,long position,int size)芜飘。直接（direct）buffer在內(nèi)存中分配一段連續(xù)的塊并使用本地訪問方法讀寫數(shù)據(jù)。非直接(nondirect)buffer通過使用Java中的數(shù)組訪問代碼讀寫數(shù)據(jù)磨总。有時候必須使用非直接緩沖例如使用任何的wrap方法（如ByteBuffer.wrap(byte[])）在Java數(shù)組基礎(chǔ)上創(chuàng)建buffer嗦明。
2． 字符編碼
向ByteBuffer中存放數(shù)據(jù)涉及到兩個問題：字節(jié)的順序和字符轉(zhuǎn)換。ByteBuffer內(nèi)部通過ByteOrder類處理了字節(jié)順序問題蚪燕，但是并沒有處理字符轉(zhuǎn)換娶牌。事實上，ByteBuffer沒有提供方法讀寫String馆纳。
Java.nio.charset.Charset處理了字符轉(zhuǎn)換問題诗良。它通過構(gòu)造CharsetEncoder和CharsetDecoder將字符序列轉(zhuǎn)換成字節(jié)和逆轉(zhuǎn)換。
3． 通道(Channel)
你可能注意到現(xiàn)有的java.io類中沒有一個能夠讀寫B(tài)uffer類型鲁驶，所以NIO中提供了Channel類來讀寫B(tài)uffer鉴裹。通道可以認(rèn)為是一種連接，可以是到特定設(shè)備，程序或者是網(wǎng)絡(luò)的連接径荔。通道的類等級結(jié)構(gòu)圖如下
圖三
圖中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分別用于讀寫督禽。
GatheringByteChannel可以從使用一次將多個Buffer中的數(shù)據(jù)寫入通道，相反的总处，ScatteringByteChannel則可以一次將數(shù)據(jù)從通道讀入多個Buffer中狈惫。你還可以設(shè)置通道使其為阻塞或非阻塞I/O操作服務(wù)。
為了使通道能夠同傳統(tǒng)I/O類相容鹦马，Channel類提供了靜態(tài)方法創(chuàng)建Stream或Reader
4．Selector
在過去的阻塞I/O中虱岂，我們一般知道什么時候可以向stream中讀或?qū)懀驗榉椒ㄕ{(diào)用直到stream準(zhǔn)備好時返回菠红。但是使用非阻塞通道第岖，我們需要一些方法來知道什么時候通道準(zhǔn)備好了。在NIO包中试溯，設(shè)計Selector就是為了這個目的蔑滓。SelectableChannel可以注冊特定的事件，而不是在事件發(fā)生時通知應(yīng)用遇绞，通道跟蹤事件键袱。然后，當(dāng)應(yīng)用調(diào)用Selector上的任意一個selection方法時摹闽，它查看注冊了的通道看是否有任何感興趣的事件發(fā)生蹄咖。圖四是selector和兩個已注冊的通道的例子
圖四
并不是所有的通道都支持所有的操作。SelectionKey類定義了所有可能的操作位付鹿，將要用兩次澜汤。首先，當(dāng)應(yīng)用調(diào)用SelectableChannel.register(Selector sel,int op)方法注冊通道時舵匾，它將所需操作作為第二個參數(shù)傳遞到方法中俊抵。然后，一旦SelectionKey被選中了坐梯，SelectionKey的readyOps()方法返回所有通道支持操作的數(shù)位的和徽诲。SelectableChannel的validOps方法返回每個通道允許的操作。注冊通道不支持的操作將引發(fā)IllegalArgumentException異常吵血。下表列出了SelectableChannel子類所支持的操作谎替。
ServerSocketChannelOP_ACCEPT
SocketChannelOP_CONNECT,OP_READ,OP_WRITE
DatagramChannelOP_READ,OP_WRITE
Pipe.SourceChannelOP_READ
Pipe.SinkChannelOP_WRITE
四. 舉例說明
1． 簡單網(wǎng)頁內(nèi)容下載
這個例子非常簡單，類SocketChannelReader使用SocketChannel來下載特定網(wǎng)頁的HTML內(nèi)容蹋辅。
package examples.nio;
importjava.nio.ByteBuffer;
importjava.nio.channels.SocketChannel;
importjava.nio.charset.Charset;
importjava.net.InetSocketAddress;
importjava.io.IOException;
publicclassSocketChannelReader{
privateCharsetcharset=Charset.forName("UTF-8");//創(chuàng)建UTF-8字符集
privateSocketChannelchannel;
publicvoidgetHTMLContent(){
try{
connect();
sendRequest();
readResponse();
}catch(IOExceptione){
System.err.println(e.toString());
}finally{
if(channel!=null){
try{
channel.close();
}catch(IOExceptione){}
}
}
}
privatevoidconnect()throwsIOException{//連接到CSDN
InetSocketAddresssocketAddress=
newInetSocketAddress("http://www.csdn.net",80/);
channel=SocketChannel.open(socketAddress);
//使用工廠方法open創(chuàng)建一個channel并將它連接到指定地址上
//相當(dāng)與SocketChannel.open().connect(socketAddress);調(diào)用
}
privatevoidsendRequest()throwsIOException{
channel.write(charset.encode("GET "
+"/document"
+"\r\n\r\n"));//發(fā)送GET請求到CSDN的文檔中心
//使用channel.write方法钱贯，它需要CharByte類型的參數(shù)，使用
//Charset.encode(String)方法轉(zhuǎn)換字符串晕翠。
}
privatevoidreadResponse()throwsIOException{//讀取應(yīng)答
ByteBufferbuffer=ByteBuffer.allocate(1024);//創(chuàng)建1024字節(jié)的緩沖
while(channel.read(buffer)!=-1){
buffer.flip();//flip方法在讀緩沖區(qū)字節(jié)操作之前調(diào)用喷舀。
System.out.println(charset.decode(buffer));
//使用Charset.decode方法將字節(jié)轉(zhuǎn)換為字符串
buffer.clear();//清空緩沖
}
}
publicstaticvoidmain(String[]args){
newSocketChannelReader().getHTMLContent();
}
2． 簡單的加法服務(wù)器和客戶機(jī)
服務(wù)器代碼
packageexamples.nio;
importjava.nio.ByteBuffer;
importjava.nio.IntBuffer;
importjava.nio.channels.ServerSocketChannel;
importjava.nio.channels.SocketChannel;
importjava.net.InetSocketAddress;
importjava.io.IOException;
/**
* SumServer.java
*
*
* Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003
*
*@authorstarchu1981
*@version1.0
*/
publicclassSumServer{
privateByteBuffer_buffer=ByteBuffer.allocate(8);
privateIntBuffer_intBuffer=_buffer.asIntBuffer();
privateSocketChannel_clientChannel=null;
privateServerSocketChannel_serverChannel=null;
publicvoidstart(){
try{
openChannel();
waitForConnection();
}catch(IOExceptione){
System.err.println(e.toString());
}
}
privatevoidopenChannel()throwsIOException{
_serverChannel=ServerSocketChannel.open();
_serverChannel.socket().bind(newInetSocketAddress(10000));
System.out.println("服務(wù)器通道已經(jīng)打開");
}
privatevoidwaitForConnection()throwsIOException{
while(true){
_clientChannel=_serverChannel.accept();
if(_clientChannel!=null){
System.out.println("新的連接加入");
processRequest();
_clientChannel.close();
}
}
}
privatevoidprocessRequest()throwsIOException{
_buffer.clear();
_clientChannel.read(_buffer);
intresult=_intBuffer.get(0)+_intBuffer.get(1);
_buffer.flip();
_buffer.clear();
_intBuffer.put(0,result);
_clientChannel.write(_buffer);
}
publicstaticvoidmain(String[]args){
newSumServer().start();
}
}// SumServer
客戶代碼
packageexamples.nio;
importjava.nio.ByteBuffer;
importjava.nio.IntBuffer;
importjava.nio.channels.SocketChannel;
importjava.net.InetSocketAddress;
importjava.io.IOException;
/**
* SumClient.java
*
*
* Created: Thu Nov 06 11:26:06 2003
*
*@authorstarchu1981
*@version1.0
*/
publicclassSumClient{
privateByteBuffer_buffer=ByteBuffer.allocate(8);
privateIntBuffer_intBuffer;
privateSocketChannel_channel;
publicSumClient(){
_intBuffer=_buffer.asIntBuffer();
}// SumClient constructor
publicintgetSum(intfirst,intsecond){
intresult=0;
try{
_channel=connect();
sendSumRequest(first,second);
result=receiveResponse();
}catch(IOExceptione){System.err.println(e.toString());
}finally{
if(_channel!=null){
try{
_channel.close();
}catch(IOExceptione){}
}
}
returnresult;
}
privateSocketChannelconnect()throwsIOException{
InetSocketAddresssocketAddress=
newInetSocketAddress("localhost",10000);
returnSocketChannel.open(socketAddress);
}
privatevoidsendSumRequest(intfirst,intsecond)throwsIOException{
_buffer.clear();
_intBuffer.put(0,first);
_intBuffer.put(1,second);
_channel.write(_buffer);
System.out.println("發(fā)送加法請求?"+first+"+"+second);
}
privateintreceiveResponse()throwsIOException{
_buffer.clear();
_channel.read(_buffer);
return_intBuffer.get(0);
}
publicstaticvoidmain(String[]args){
SumClientsumClient=newSumClient();
System.out.println("加法結(jié)果為?:"+sumClient.getSum(100,324));
}
}// SumClient
3． 非阻塞的加法服務(wù)器
首先在openChannel方法中加入語句
_serverChannel.configureBlocking(false);//設(shè)置成為非阻塞模式
重寫WaitForConnection方法的代碼如下，使用非阻塞方式
privatevoidwaitForConnection()throwsIOException{
SelectoracceptSelector=SelectorProvider.provider().openSelector();
/*在服務(wù)器套接字上注冊selector并設(shè)置為接受accept方法的通知淋肾。
這就告訴Selector硫麻，套接字想要在accept操作發(fā)生時被放在ready表
上，因此樊卓，允許多元非阻塞I/O發(fā)生拿愧。*/
SelectionKeyacceptKey=ssc.register(acceptSelector,
SelectionKey.OP_ACCEPT);
intkeysAdded=0;
/*select方法在任何上面注冊了的操作發(fā)生時返回*/
while((keysAdded=acceptSelector.select())>0){
// 某客戶已經(jīng)準(zhǔn)備好可以進(jìn)行I/O操作了，獲取其ready鍵集合
SetreadyKeys=acceptSelector.selectedKeys();
Iteratori=readyKeys.iterator();
//?遍歷ready鍵集合碌尔，并處理加法請求
while(i.hasNext()){
SelectionKeysk=(SelectionKey)i.next();
i.remove();
ServerSocketChannelnextReady=
(ServerSocketChannel)sk.channel();
//?接受加法請求并處理它
_clientSocket=nextReady.accept().socket();
processRequest();
_clientSocket.close();
}
}
}
