14 Java NIO vs IO-翻譯

王金龍發表於2017-12-06
Java

在學習Java NIO和IO的API時，經常會出現以下疑問？

什麼時候我應該用IO,什麼時候我應該用NIO?

在這篇文章中我將發表我關於NIO與IO的區別的觀點，它們的使用案例，以及它們如何影響你程式碼的設計。

Java NIO與IO的主要區別

IO NIO
面向流 面向緩衝
阻塞IO 非阻塞IO
無Selector Selectors

面向流與面向緩衝

Java NIO與IO最大的不同之處在IO是面向流的，而NIO是面向緩衝的。但是，這意味著什麼呢？

Java IO面向流意味著你一次會從流中讀取一個或多個位元組。對於讀取到的位元組怎麼處理由你自己決定。這些位元組是不會被快取的。更一步，流中的資料並不能前面移動。如果需要前後移動資料，需要先將資料進行快取。

而Java NIO面向快取的方式稍有不同。需要後續處理的資料是先放到快取中的。可以在快取中前後移動。這使得資料處理變得更加靈活。然而，你需要檢查快取裡是否包含了需要處理的完整資料。並且，也需要保證沒有處理過的資料在寫入新資料時不會被覆蓋。

阻塞與非阻塞

Java IO的各種流是阻塞的。這意味著，當一個執行緒呼叫read() 或 write()時，該執行緒被阻塞，直到有一些資料被讀取，或資料完全寫入。該執行緒在此期間不能再幹任何事情了。 Java NIO的非阻塞模式，使一個執行緒從某通道傳送請求讀取資料，但是它僅能得到目前可用的資料，如果目前沒有資料可用時，就什麼都不會獲取。而不是保持執行緒阻塞，所以直至資料變的可以讀取之前，該執行緒可以繼續做其他的事情。 非阻塞寫也是如此。一個執行緒請求寫入一些資料到某通道，但不需要等待它完全寫入，這個執行緒同時可以去做別的事情。 執行緒通常將非阻塞IO的空閒時間用於在其它通道上執行IO操作，所以一個單獨的執行緒現在可以管理多個輸入和輸出通道（channel）。

Selector

Java NIO Selector允許一個執行緒來控制多個輸入通道。可以用一個Selector註冊多個Channle。然後，用一個執行緒來選擇已經準備好資料處理的Channel或都那些準備好寫的Channel。選擇器的機制使得用一個執行緒來控制多個Channel變得非常容易。

NIO和IO如何影響應用程式的設計

無論你選擇NIO或IO工具箱，可能會影響你應用程式的以下幾個方面：

  1. 對NIO或IO類的API呼叫。
  2. 資料處理。
  3. 用來處理資料的執行緒數。

API呼叫

當然，在使用IO時，NIO與IO的API呼叫有點不同。這一點也不奇怪。並不是直接從InputStream中直接讀取資料，NIO必須先將資料讀入到快取中，再進行後續處理。

資料處理

使用純粹的NIO設計相較IO設計，資料處理也受到影響。

在IO設計時，資料是從InputStream或Reader中讀取的。假設你正在處理基於文字的資料，像這樣：

Name: Anna
Age: 25
Email: anna@mailserver.com
Phone: 1234567890
複製程式碼

文字行的流可以像這樣處理：

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();
複製程式碼

請注意處理狀態由程式執行多久決定。換句話說，一旦reader.readLine()方法返回，你就知道肯定文字行就已讀完， readline()阻塞直到整行讀完，這就是原因。你也知道此行包含名稱；同樣，第二個readline()呼叫返回的時候，你知道這行包含年齡等。 正如你可以看到，該處理程式僅在有新資料讀入時執行，並知道每步的資料是什麼。一旦正在執行的執行緒已處理過讀入的某些資料，該執行緒不會再回退資料（大多如此）。下圖也說明了這條原則：

image

在NIO實現中這將會變得有點不一樣，下面是一個簡單的例子。

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
int byteRead = inChannel.read(buf);
複製程式碼

注意到將Channel中的資料讀入到Buffer中的第二行。當那個方法返回時，其實並不知道所需要的資料是否都已經寫入到Buffer中了。僅僅知道的是一些資料已經寫入到Buffer中了。這使得資料處理變得有點麻煩。

想像一下，當呼叫完第一個read(buufer)方法時，僅有半行的資料被讀入到Buffer中。例如，“Name:An”。你量否可以處理這個資料？並不能。在有效處理資料之前必須等到至少有一行資料被讀入到Buffer中才行。

所以，如何能夠知道uffer中包含了能夠有效處理的足夠的資料呢？其實並不能。唯一的方法是檢查Buffer中的資料。這個結果是，你必須多次檢查Buffer中的資料來判斷資料是否完整。不僅效率低下，而且可以使程式設計方案雜亂不堪。例如：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buffer);

while(! bufferFull(bytesRead) ) {
    bytesRead = inChannel.read(buffer);
}
複製程式碼

bufferFull()方法需要跟蹤讀入buffer中的位元組數並根據buffer是否滿了來返回true或false。換句話說，如果buffer已經準備好處理了，它將認為是full的。

bufferFull()方法掃描緩衝區，但必須保持在bufferFull（）方法被呼叫之前狀態相同。如果沒有，下一個讀入緩衝區的資料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。

如果緩衝區已滿，它可以被處理。如果它不滿，並且在你的實際案例中有意義，你或許能處理其中的部分資料。但是許多情況下並非如此。下圖展示了“緩衝區資料迴圈就緒”：

image

總結

NIO可以讓你僅使用一個或少量的執行緒來管理多個通道（網路或檔案）。但是分析資料會比阻塞的IO流更加複雜。

如果你需要同時管理成千上萬個連線，並且這個連線只傳送少量的資料。比如，一個用NIO方式實現的聊天伺服器將變得非常有優勢。類似的，如果需要跟其他計算機保持大量的連線，如P2P網路。使用一個執行緒來管道外部連線可以也是一個優勢。單個線條，多個連線的方式如下圖所示：

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如果只有少量連線，但每個連線都有佔用大量的頻寬，每次需要傳送大量的資料，也許採用阻塞的IO將會更加適合。下圖展示一個IO伺服器的設計：

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