深入浅出理解Java NIO系列—第1篇

浅浅的花香味﹌ 2022-05-24 05:58 175阅读 0赞

# **深入浅出理解Java NIO系列—第1篇 概述** #

**1. IO和NIO的含义**

### 1.1 IO的含义 ###

讲NIO之前，我们先来看一下IO。Java IO即Java 输入输出系统。不管我们编写何种应用，都难免和各种输入输出相关的媒介打交道，其实和媒介进行IO的过程是十分复杂的，这要考虑的因素特别多，比如我们要考虑和哪种媒介进行IO（文件、控制台、网络），我们还要考虑具体和它们的通信方式（顺序、随机、二进制、按字符、按字、按行等等）。Java类库的设计者通过设计大量的类来攻克这些难题，这些类就位于java.io包中。

由于老的Java IO标准类提供IO操作（如read()，write()）都是同步阻塞的，因此，IO通常也被称为阻塞IO（即BIO，Blocking I/O）。

### 1.2 NIO含义 ###

在JDK1.4之后，为了提高Java IO的效率，Java又提供了一套新的IO（NIO，New I/O），原因在于它相对于之前的I/O类库是新增的。由于之前老的I/O类库是阻塞I/O，New I/O类库的目标就是要让Java支持非阻塞I/O，所以，更多的人喜欢称之为非阻塞I/O（Non-block I/O）。

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## 2. 阻塞与非阻塞 ##

### 2.1 四种I/O模型 ###

*  同步阻塞 IO ：

在此种方式下，用户进程在发起一个 IO 操作以后，必须等待 IO 操作的完成，只有当真正完成了 IO 操作以后，用户进程才能运行。 JAVA传统的 IO 模型属于此种方式！

*  同步非阻塞 IO:

在此种方式下，用户进程发起一个 IO 操作以后 便可返回做其它事情，但是用户进程需要时不时的询问 IO 操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问，从而引入不必要的 CPU 资源浪费。其中目前 JAVA 的 NIO 就属于同步非阻塞 IO 。

*  异步阻塞 IO ：

此种方式下是指应用发起一个 IO 操作以后，不等待内核 IO 操作的完成，等内核完成 IO 操作以后会通知应用程序，这其实就是同步和异步最关键的区别，同步必须等待或者主动的去询问 IO 是否完成，那么为什么说是阻塞的呢？因为此时是通过 select 系统调用来完成的，而 select 函数本身的实现方式是阻塞的，而采用 select 函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄，从而提高系统的并发性！

*  异步非阻塞 IO:

在此种模式下，用户进程只需要发起一个 IO 操作然后立即返回，等 IO 操作真正的完成以后，应用程序会得到 IO 操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的 IO 读写操作，因为 真正的 IO读取或者写入操作已经由 内核完成了。目前 Java 中还没有支持此种 IO 模型。

### 2.2 阻塞I/O ###

所有的系统I/O都分为两个阶段：等待就绪和操作。举例来说，读函数，分为等待系统可读和真正的读；同理，写函数分为等待网卡可以写和真正的写。Java IO的各种流是阻塞的。这意味着当线程调用write()或read()时，线程会被阻塞，直到有一些数据可用于读取或数据被完全写入。

需要说明的是等待就绪引起的“阻塞”是不使用CPU的，是在“空等”；而真正的读写操作引起的“阻塞”是使用CPU的，是真正在"干活"，而且这个过程非常快，属于memory copy，带宽通常在1GB/s级别以上，可以理解为基本不耗时。因此，所谓“阻塞”主要是指等待就绪的过程。

**以socket.read()为例子：**

传统的阻塞IO(BIO)里面socket.read()，如果TCP RecvBuffer里没有数据，函数会一直阻塞，直到收到数据，返回读到的数据。

而对于非阻塞IO(NIO)，如果TCP RecvBuffer有数据，就把数据从网卡读到内存，并且返回给用户；反之则直接返回0，永远不会阻塞。

换句话说，BIO里用户最关心“我要读”，NIO里用户最关心"我可以读了"。NIO一个重要的特点是：socket主要的读、写、注册和接收函数，在等待就绪阶段都是非阻塞的，真正的I/O操作是同步阻塞的（消耗CPU但性能非常高）。

### 2.3 非阻塞I/O ###

Java NIO非阻塞模式允许线程请求向通道写入数据，但不等待它被完全写入，允许线程继续进行，并做其他事情。

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## 3. 面向流与面向缓冲 ##

### 3.1 面向流 ###

Java IO是面向流的I/O，这意味着我们需要从流中读取一个或多个字节。它使用流来在数据源/槽和java程序之间传输数据。使用此方法的I/O操作较慢。  
    下面来看看在Java程序中使用输入/输出流的数据流图(注意：图中输入|输出均以Java Program为参照物)：

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### 3.2 面向缓冲 ###

Java NIO是面向缓存的I/O方法。 将数据读入缓冲器，再使用通道进一步处理数据。 在NIO中，使用通道和缓冲区来处理I/O操作。  
    通道和流之间的主要区别是：

*  流可以用于单向数据传输。
 *  通道提供双向数据传输。

因此，通过在java NIO中引入通道，可以执行非阻塞I/O操作。  
    如下图所示：通道，缓冲区，java程序，数据源和数据接收器之间的相互作用 。

![70 1][]

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## 4 通道(Channels) ##

在Java NIO中，通道是在实体和字节缓冲区之间有效传输数据的媒介。 它从一个实体读取数据，并将其放在缓冲区块中以供消费。通道作为Java NIO提供的网关来访问I/O机制。通常，通道与操作系统文件描述符具有一对一关系，用于提供平台独立操作功能。

**NIO通道基础**

通道使用本地代码执行实际工作。通道接口允许我们以便携和受控的方式访问低级I/O服务。在层次结构的顶部，通道接口如下所示：

package java.nio.channels;  
     public interface Channel{  
        public boolean isOpen();  
        public void close() throws IOException;  
    }

正如在上述通道接口中看到的，所有通道中有常见的两个操作：

*  检查通道是否关闭(isOpen)
 *  关闭通道(close)

##     ##

## 5 选择器(Selectors) ##

在Java NIO中，选择器是可选择通道的多路复用器，可用作可以进入非阻塞模式的特殊类型的通道。它可以检查一个或多个NIO通道，并确定哪个通道准备好进行通信，即读取或写入。

### **5.1 选择器(Selectors)的用途是什么？** ###

选择器用于使用单个线程处理多个通道。因此，它需要较少的线程来处理这些通道。线程之间的切换对于操作系统来说是昂贵的。 因此，为了提高系统效率选择器是有用的。下面来看看使用选择器来处理3个通道的线程的示意图：

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**创建选择器**

可以通过调用`Selector.open()`方法创建一个选择器，如下代码所示：

Selector selector = Selector.open();

### 以下将以socket编程为例，图文并茂浅析NIO机制中Selector的作用。 ###

### 5.2 Java传统I/O在socket编程中的应用场景, ###

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一个socket连接对应一个输入/输出通道，一个输入/输出通道在对应一个线程，这样有多个请求，就需要开辟多个线程，这样对CPU的负担大大的提高。关系是一对一的。

### **5.3 Java NIO** 在socket编程中的应用场景 ###

![70 4][]

在上图中我们能看到中间有类叫做Selector

1.  当socket服务端启动后对每个socketchannel进行建立关系。
2.  这时只需要把探知的socketchannel告诉Selector。
3.  当有事件发生时，会通知传回一组SelectionKey,读取这些Key,就会获得我们刚刚注册过的socketchannel。
4.  原先已经建立好的Channel中读取数据。
5.  最后可以接收到的这些数据进行处理。

所以我们能看出不必像原先那样开大量的线程，然后让线程傻傻的等待。而NIO不必，**通道已经由一个线程建立好了**，有事就说话，说了就去做，而且在**一个线程中建立了多个通道**，可以同时做很多事情，不会像原先那样**开辟多个线程**，耗费CPU资源，**关系是1对多的。**

## 6. IO与NIO的主要区别 ##

### 6.1 工作方式不同  ###

**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；
>  *  NIO则能前后移动流中的数据，因为是面向缓冲区的；

**IO流是阻塞的，NIO流是不阻塞的**

>  *  Java IO的各种流是阻塞的。这意味着，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的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。NIO可让您只使用一个（或几个）单线程管理多个通道（网络连接或文件），但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。 
>  *  非阻塞写也是如此。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**

>  *  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。

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### 6.2 使用场景不同 ###

**NIO**

*  优势在于一个线程管理多个通道；但是数据的处理将会变得复杂；
 *  如果需要管理同时打开的成千上万个连接，这些连接每次只是发送少量的数据，采用这种；

**传统的IO**

*  适用于一个线程管理一个通道的情况；因为其中的流数据的读取是阻塞的；
 *  如果需要管理同时打开不太多的连接，这些连接会发送大量的数据；

参考文献：

http://ju.outofmemory.cn/entry/6835

https://www.yiibai.com/java\_nio/java-nio-vs-input-output.html

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