Java NIO與IO的區別和比較

     傳統的socket IO中，需要為每個連接創建一個線程，當並發的連接數量非常巨大時，線程所占用的棧內存和CPU線程切換的開銷將非常巨大。使用NIO，不再需要為每個線程創建單獨的線程，可以用一個含有限數量線程的線程池，甚至一個線程來為任意數量的連接服務。由於線程數量小於連接數量，所以每個線程進行IO操作時就不能阻塞，如果阻塞的話，有些連接就得不到處理，NIO提供了這種非阻塞的能力。

     小量的線程如何同時為大量連接服務呢，答案就是就緒選擇。這就好比到餐廳吃飯，每來一桌客人，都有一個服務員專門為你服務，從你到餐廳到結帳走人，這樣方式的好處是服務質量好，一對一的服務，VIP啊，可是缺點也很明顯，成本高，如果餐廳生意好，同時來100桌客人，就需要100個服務員，那老板發工資的時候得心痛死了，這就是傳統的一個連接一個線程的方式。

     老板是什么人啊，精着呢。這老板就得捉摸怎么能用10個服務員同時為100桌客人服務呢，老板就發現，服務員在為客人服務的過程中並不是一直都忙着，客人點完菜，上完菜，吃着的這段時間，服務員就閑下來了，可是這個服務員還是被這桌客人占用着，不能為別的客人服務，用華為領導的話說，就是工作不飽滿。那怎么把這段閑着的時間利用起來呢。這餐廳老板就想了一個辦法，讓一個服務員（前台）專門負責收集客人的需求，登記下來，比如有客人進來了、客人點菜了，客人要結帳了，都先記錄下來按順序排好。每個服務員到這里領一個需求，比如點菜，就拿着菜單幫客人點菜去了。點好菜以后，服務員馬上回來，領取下一個需求，繼續為別人客人服務去了。這種方式服務質量就不如一對一的服務了，當客人數據很多的時候可能需要等待。但好處也很明顯，由於在客人正吃飯着的時候服務員不用閑着了，服務員這個時間內可以為其他客人服務了，原來10個服務員最多同時為10桌客人服務，現在可能為50桌，60客人服務了。

     這種服務方式跟傳統的區別有兩個：

1、增加了一個角色，要有一個專門負責收集客人需求的人。NIO里對應的就是Selector。

2、由阻塞服務方式改為非阻塞服務了，客人吃着的時候服務員不用一直侯在客人旁邊了。傳統的IO操作，比如read()，當沒有數據可讀的時候，線程一直阻塞被占用，直到數據到來。NIO中沒有數據可讀時，read()會立即返回0，線程不會阻塞。

     NIO中，客戶端創建一個連接后，先要將連接注冊到Selector，相當於客人進入餐廳后，告訴前台你要用餐，前台會告訴你你的桌號是幾號，然后你就可能到那張桌子坐下了，SelectionKey就是桌號。當某一桌需要服務時，前台就記錄哪一桌需要什么服務，比如1號桌要點菜，2號桌要結帳，服務員從前台取一條記錄，根據記錄提供服務，完了再來取下一條。這樣服務的時間就被最有效的利用起來了。

 

導讀：

J2SE1.4以上版本中發布了全新的I/O類庫。NIO庫提供的一些新特性：非阻塞I/O，字符轉換，緩沖以及通道。NIO和IO都在rt.jar包中。

一、NIO的簡介
NIO包（java.nio.*）引入了四個關鍵的抽象數據類型，它們共同解決傳統的I/O類中的一些問題。
1． Buffer：它是包含數據且用於讀寫的線形表結構。其中還提供了一個特殊類用於內存映射文件的I/O操作。
2． Charset：它提供Unicode字符串影射到字節序列以及逆影射的操作。
3． Channels：包含socket，file和pipe三種管道，它實際上是雙向交流的通道。
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（）函數或Win32中WaitForSingleEvent（）函數的面向對象版本）。

二、IO的傳統方式

以網絡應用為例，傳統方式需要監聽一個ServerSocket，接受請求的連接為其提供服務（服務通常包括了處理請求並發送響應）圖一是服務器的生命周期圖，其中標有粗黑線條的部分表明會發生I/O阻塞。

圖一

可以分析創建服務器的每個具體步驟。首先創建ServerSocket
ServerSocket server=new ServerSocket（10000）；
然后接受新的連接請求
Socket newConnection=server.accept（）；
對於accept方法的調用將造成阻塞，直到ServerSocket接受到一個連接請求為止。一旦連接請求被接受，服務器可以讀客戶socket中的請求。 

InputStream in = newConnection.getInputStream();

InputStreamReader reader = new InputStreamReader(in);

BufferedReader buffer = new BufferedReader(reader);

Request request = new Request();

while(!request.isComplete()) {

    String line = buffer.readLine();

    request.addLine(line);
}

這樣的操作有兩個問題，首先BufferedReader類的readLine（）方法在其緩沖區未滿時會造成線程阻塞，只有一定數據填滿了緩沖區或者客戶關閉了套接字，方法才會返回。其次，它回產生大量的垃圾，BufferedReader創建了緩沖區來從客戶套接字讀入數據，但是同樣創建了一些字符串存儲這些數據。雖然BufferedReader內部提供了StringBuffer處理這一問題，但是所有的String很快變成了垃圾需要回收。

同樣的問題在發送響應代碼中也存在

Response response = request.generateResponse();

OutputStream out = newConnection.getOutputStream();

InputStream in = response.getInputStream()；

int ch；

while(-1 != (ch = in.read())) {

    out.write(ch);

}

newConnection.close();

類似的，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，所以應該使用緩沖區，但是一旦使用緩沖，流又會產生更多的垃圾。

傳統的解決方法
通常在Java中處理阻塞I/O要用到線程（大量的線程）。一般是實現一個線程池用來處理請求，如圖二

圖二
線程使得服務器可以處理多個連接，但是它們也同樣引發了許多問題。每個線程擁有自己的棧空間並且占用一些CPU時間，耗費很大，而且很多時間是浪費在阻塞的I/O操作上，沒有有效的利用CPU。

三、NIO的詳細介紹

1． Buffer
傳統的I/O不斷的浪費對象資源（通常是String）。新I/O通過使用Buffer讀寫數據避免了資源浪費。Buffer對象是線性的，有序的數據集合，它根據其類別只包含唯一的數據類型。
java.nio.Buffer 類描述
java.nio.ByteBuffer 包含字節類型。 可以從ReadableByteChannel中讀在 WritableByteChannel中寫
java.nio.MappedByteBuffer 包含字節類型，直接在內存某一區域映射
java.nio.CharBuffer 包含字符類型，不能寫入通道
java.nio.DoubleBuffer 包含double類型，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
可以通過調用allocate(int capacity)方法或者allocateDirect(int capacity)方法分配一個Buffer。特別的，你可以創建MappedBytesBuffer通過調用FileChannel.map(int mode,long position,int size)。直接（direct）buffer在內存中分配一段連續的塊並使用本地訪問方法讀寫數據。非直接(nondirect)buffer通過使用Java中的數組訪問代碼讀寫數據。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數組基礎上創建buffer。

2． 字符編碼
向ByteBuffer中存放數據涉及到兩個問題：字節的順序和字符轉換。ByteBuffer內部通過ByteOrder類處理了字節順序問題，但是並沒有處理字符轉換。事實上，ByteBuffer沒有提供方法讀寫String。
Java.nio.charset.Charset處理了字符轉換問題。它通過構造CharsetEncoder和CharsetDecoder將字符序列轉換成字節和逆轉換。

3． 通道(Channel)
你可能注意到現有的java.io類中沒有一個能夠讀寫Buffer類型，所以NIO中提供了Channel類來讀寫Buffer。通道可以認為是一種連接，可以是到特定設備，程序或者是網絡的連接。通道的類等級結構圖如下

圖三
圖中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分別用於讀寫。
GatheringByteChannel可以從使用一次將多個Buffer中的數據寫入通道，相反的，ScatteringByteChannel則可以一次將數據從通道讀入多個Buffer中。你還可以設置通道使其為阻塞或非阻塞I/O操作服務。
為了使通道能夠同傳統I/O類相容，Channel類提供了靜態方法創建Stream或Reader

4． Selector
在過去的阻塞I/O中，我們一般知道什么時候可以向stream中讀或寫，因為方法調用直到stream准備好時返回。但是使用非阻塞通道，我們需要一些方法來知道什么時候通道准備好了。在NIO包中，設計Selector就是為了這個目的。SelectableChannel可以注冊特定的事件，而不是在事件發生時通知應用，通道跟蹤事件。然后，當應用調用Selector上的任意一個selection方法時，它查看注冊了的通道看是否有任何感興趣的事件發生。圖四是selector和兩個已注冊的通道的例子

圖四
並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，將要用兩次。首先，當應用調用SelectableChannel.register(Selector sel,int op)方法注冊通道時，它將所需操作作為第二個參數傳遞到方法中。然后，一旦SelectionKey被選中了，SelectionKey的readyOps()方法返回所有通道支持操作的數位的和。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IllegalArgumentException異常。下表列出了SelectableChannel子類所支持的操作。 

ServerSocketChannel OP_ACCEPT 

SocketChannel OP_CONNECT, OP_READ, OP_WRITE 

DatagramChannel OP_READ, OP_WRITE 

Pipe.SourceChannel OP_READ 

Pipe.SinkChannel OP_WRITE

四. 舉例說明

1． 簡單網頁內容下載
這個例子非常簡單，類SocketChannelReader使用SocketChannel來下載特定網頁的HTML內容。
package examples.nio;

package com.yineng.mycat;

import java.nio.ByteBuffer;

import java.nio.channels.SocketChannel;

import java.nio.charset.Charset;

import java.net.InetSocketAddress;

import java.io.IOException;

/**
 * @author kzfy
 * @data 2015/12/21
 */
public class SocketChannelReader{

    private Charset charset=Charset.forName("UTF-8");//創建UTF-8字符集

    private SocketChannel channel;

    public void getHTMLContent(){
        try{
            connect();
            sendRequest();
            readResponse();
        }catch(IOException e){
            System.err.println(e.toString());
        }finally{
            if(channel!=null){
                try{
                    channel.close();
                }catch(IOException e){}
            }
        }
    }

    private void connect()throws IOException{//連接到CSDN
        InetSocketAddress socketAddress= new InetSocketAddress("http://www.csdn.net",80);
        channel=SocketChannel.open(socketAddress);
        //使用工廠方法open創建一個channel並將它連接到指定地址上
        //相當與SocketChannel.open().connect(socketAddress);調用
    }

    private void sendRequest()throws IOException{
        channel.write(charset.encode("GET /document\r\n\r\n"));//發送GET請求到CSDN的文檔中心
        //使用channel.write方法，它需要CharByte類型的參數，使用
        //Charset.encode(String)方法轉換字符串。
    }

    private void readResponse()throws IOException{//讀取應答
        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);//創建1024字節的緩沖
        while(channel.read(buffer)!=-1){
            buffer.flip();//flip方法在讀緩沖區字節操作之前調用。
            System.out.println(charset.decode(buffer));
            //使用Charset.decode方法將字節轉換為字符串
            buffer.clear();//清空緩沖
        }
    }

    public static void main(String [] args){
        new SocketChannelReader().getHTMLContent();
    }
}

詳見http://my.oschina.net/u/1010990/blog/192558