Java NIO與IO的區別和比較

導讀
J2SE1.4以上版本中發佈了全新的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，字符轉換，緩衝以及通道。

一. 介紹NIO
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. 回顧傳統
在介紹NIO之前，有必要了解傳統的I/O操作的方式。以網絡應用爲例，傳統方式需要監聽一個ServerSocket，接受請求的連接爲其提供服務（服務通常包括了處理請求併發送響應）圖一是服務器的生命週期圖，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）；
然後接受新的連接請求
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爲止。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（）方法在其緩衝區未滿時會造成線程阻塞，只有一定數據填滿了緩衝區或者客戶關閉了套接字，方法纔會返回。其次，它回產生大量的垃圾，BufferedReader創建了緩衝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，所以應該使用緩衝區，但是一旦使用緩衝，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佔用一些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. 新I/O
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衝例如使用任何的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。通道可以認爲是一種連接，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爲阻塞或非阻塞I/O操作服務。
爲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，我們一般知道什麼時候可以向stream中讀或寫，因爲方法調用直到stream準備好時返回。但是使用非阻塞通道，我們需要一些方法來知道什麼時候通道準備好了。在NIO包中，設計Selector就是爲了這個目的。SelectableChannel可以註冊特定的事件，而不是在事件發生時通知應用，通道跟蹤事件。然後，當應用調用Selector上的任意一個selection方法時，它查看註冊了的通道看是否有任何感興趣的事件發生。圖四是selector和兩個已註冊的通道的例子

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)方法註冊通道時，它將所需操作作爲第二個參數傳遞到方法中。然後，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。註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;

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.io.IOException;

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字節的緩衝
while(channel.read(buffer)!=-1){
buffer.flip();//flip方法在讀緩衝區字節操作之前調用。
System.out.println(charset.decode(buffer));
//使用Charset.decode方法將字節轉換爲字符串
buffer.clear();//清空緩衝
}
}

public static void main(String [] args){
new SocketChannelReader().getHTMLContent();
}
2． 簡單的加法服務器和客戶機
服務器代碼
package examples.nio;

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.IntBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.io.IOException;

/**
* SumServer.java
*
*
* Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003
*
* @author starchu1981
* @version 1.0
*/
public class SumServer {

private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8);
private IntBuffer _intBuffer=_buffer.asIntBuffer();
private SocketChannel _clientChannel=null;
private ServerSocketChannel _serverChannel=null;

public void start(){
try{
openChannel();
waitForConnection();
}catch(IOException e){
System.err.println(e.toString());
}
}

private void openChannel()throws IOException{
_serverChannel=ServerSocketChannel.open();
_serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000));
System.out.println("服務器通道已經打開");
}

private void waitForConnection()throws IOException{
while(true){
_clientChannel=_serverChannel.accept();
if(_clientChannel!=null){
System.out.println("新的連接加入");
processRequest();
_clientChannel.close();
}
}
}

private void processRequest()throws IOException{
_buffer.clear();
_clientChannel.read(_buffer);
int result=_intBuffer.get(0)+_intBuffer.get(1);
_buffer.flip();
_buffer.clear();
_intBuffer.put(0,result);
_clientChannel.write(_buffer);
}

public static void main(String [] args){
new SumServer().start();
}
} // SumServer
客戶代碼
package examples.nio;

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.IntBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.io.IOException;

/**
* SumClient.java
*
*
* Created: Thu Nov 06 11:26:06 2003
*
* @author starchu1981
* @version 1.0
*/
public class SumClient {

private ByteBuffer _buffer=ByteBuffer.allocate(8);
private IntBuffer _intBuffer;
private SocketChannel _channel;

public SumClient() {
_intBuffer=_buffer.asIntBuffer();
} // SumClient constructor

public int getSum(int first,int second){
int result=0;
try{
_channel=connect();
sendSumRequest(first,second);
result=receiveResponse();
}catch(IOException e){System.err.println(e.toString());
}finally{
if(_channel!=null){
try{
_channel.close();
}catch(IOException e){}
}
}
return result;
}

private SocketChannel connect()throws IOException{
InetSocketAddress socketAddress=
new InetSocketAddress("localhost",10000);
return SocketChannel.open(socketAddress);
}

private void sendSumRequest(int first,int second)throws IOException{
_buffer.clear();
_intBuffer.put(0,first);
_intBuffer.put(1,second);
_channel.write(_buffer);
System.out.println("發送加法請求 "+first+"+"+second);
}

private int receiveResponse()throws IOException{
_buffer.clear();
_channel.read(_buffer);
return _intBuffer.get(0);
}

public static void main(String [] args){
SumClient sumClient=new SumClient();
System.out.println("加法結果爲 :"+sumClient.getSum(100,324));
}
} // SumClient
3． 非阻塞的加法服務器
首先在openChannel方法中加入語句
_serverChannel.configureBlocking(false);//設置成爲非阻塞模式

重寫WaitForConnection方法的代碼如下，使用非阻塞方式
private void waitForConnection()throws IOException{
Selector acceptSelector = SelectorProvider.provider().openSelector();

/*在服務器套接字上註冊selector並設置爲接受accept方法的通知。
這就告訴Selector，套接字想要在accept操作發生時被放在ready表
上，因此，允許多元非阻塞I/O發生。*/
SelectionKey acceptKey = ssc.register(acceptSelector,
SelectionKey.OP_ACCEPT);
int keysAdded = 0;

/*select方法在任何上面註冊了的操作發生時返回*/
while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) {
// 某客戶已經準備好可以進行I/O操作了，獲取其ready鍵集合
Set readyKeys = acceptSelector.selectedKeys();
Iterator i = readyKeys.iterator();

// 遍歷ready鍵集合，並處理加法請求
while (i.hasNext()) {
SelectionKey sk = (SelectionKey)i.next();
i.remove();
ServerSocketChannel nextReady =
(ServerSocketChannel)sk.channel();
// 接受加法請求並處理它
_clientSocket = nextReady.accept().socket();
processRequest();
_clientSocket.close();
}
}
}

參考資料
1． <Master Merlin's new I/O classes> From <http://www.javawordl.com/>
2． J2SE1.4.2 API Specification From <http://java.sun.com/>
3． <Working with SocketChannels> From <http://developer.java.sun.com/developer>
4. NIO Examples From <http://java.sun.com/>