Java NIO與IO的差別和比較


 

導讀
J2SE1.4
以上版本號中公布了全新的I/O類庫。本文將通過一些實例來簡介NIO庫提供的一些新特性:非堵塞I/O,字符轉換,緩沖以及通道。

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:它是包括數據且用於讀寫的線形表結構。當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:包括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(它能夠被看成是Unix中select()函數或Win32中WaitForSingleEvent()函數的面向對象版本號)。
二. 回想傳統
在介紹NIO之前,有必要了解傳統的I/O操作的方式。以網絡應用為例,傳統方式須要監聽一個ServerSocket,接受請求的連接為其提供服務(服務通常包含了處理請求並發送響應)圖一是server的生命周期圖,當中標有粗黑線條的部分表明會發生I/O堵塞。

圖一

能夠分析創建server的每一個詳細步驟。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方法的調用將造成堵塞,直到ServerSocket接受到一個連接請求為止。一旦連接請求被接受,server能夠讀客戶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);
}
這種操作有兩個問題,首先BufferedReader類的readLine()方法在其緩沖區未滿時會造成線程堵塞,僅僅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,可是相同創建了一些字符串存儲這些數據。盡管BufferedReader內部提供了StringBuffer處理這一問題,可是全部的String非常快變成了垃圾須要回收。
相同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,讀寫操作被堵塞並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,可是一旦使用緩沖,流又會產生很多其它的垃圾。
傳統的解決方法
通常在Java中處理堵塞I/O要用到線程(大量的線程)。通常是實現一個線程池用來處理請求,如圖二


圖二
線程使得server能夠處理多個連接,可是它們也相同引發了很多問題。每一個線程擁有自己的棧空間並且占用一些CPU時間,耗費非常大,並且非常多時間是浪費在堵塞的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(一般是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,它依據其類別僅僅包括唯一的數據類型。

java.nio.Buffer 類描寫敘述
java.nio.ByteBuffer 包括字節類型。 能夠從ReadableByteChannel中讀在 WritableByteChannel中寫

java.nio.MappedByteBuffer 包括字節類型,直接在內存某一區域映射

java.nio.CharBuffer 包括字符類型,不能寫入通道

java.nio.DoubleBuffer 包括double類型,不能寫入通道

java.nio.FloatBuffer 包括float類型

java.nio.IntBuffer 包括int類型

java.nio.LongBuffer 包括long類型

java.nio.ShortBuffer 包括short類型

能夠通過調用allocate(int capacity)方法或者allocateDirect(int capacity)方法分配一個Buffer。特別的,你能夠創建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比如使用不論什么的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,可是並沒有處理字符轉換。其實,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。通道能夠覺得是一種連接,能夠是到特定設備,程序或者是網絡的連接。通道的類等級結構圖例如以下



圖三
圖中ReadableByteChannel和WritableByteChannel分別用於讀寫。
GatheringByteChannel 能夠從使用一次將多個Buffer中的數據寫入通道,相反的,ScatteringByteChannel則能夠一次將數據從通道讀入多個Buffer中。你還能夠設置通道使其為堵塞或非堵塞I/O操作服務。
為了使通道可以同傳統I/O類相容,Channel類提供了靜態方法創建Stream或 Reader
4.
Selector
在過去的堵塞I/O中,我們一般知道什么時候能夠向stream中讀或寫,由於方法調用直到stream准備好時返回。可是使用非堵塞通道,我們須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能夠注冊特定的事件,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上的隨意一個selection方法時,它查看注冊了的通道看是否有不論什么感興趣的事件發生。圖四是selector和兩個已注冊的通道的樣例

圖四
並非全部的通道都支持全部的操作。SelectionKey類定義了全部可能的操作位,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()方法返回全部通道支持操作的數位的和。SelectableChannel的validOps方法返回每一個通道同意的操作。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
這個樣例很easy,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,它須要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();
}
2
. 簡單的加法server和客戶機
server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("
server通道已經打開 ");
}
private void waitForConnection()throws IOException{
while(true){
_clientChannel=_serverChannel.accept();
if(_clientChannel!=null){
System.out.println("
新的連接添� ");
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("
加法結果為 :"+sumClient.getSum(100,324));
}
} // SumClient

3 . 非堵塞的加法server
首先在openChannel方法中添�語句
_serverChannel.configureBlocking(false);// 設置成為非堵塞模式
重寫WaitForConnection方法的代碼例如以下,使用非堵塞方式
private void waitForConnection()throws IOException{
Selector acceptSelector = SelectorProvider.provider().openSelector();
/* 在server套接字上注冊selector並設置為接受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,同意多元非堵塞I/O發生。 */
SelectionKey acceptKey = ssc.register(acceptSelector,
SelectionKey.OP_ACCEPT);
int keysAdded = 0;

/*select方法在不論什么上面注冊了的操作發生時返回
*/
while ((keysAdded = acceptSelector.select()) > 0) {
// 某客戶已經准備好能夠進行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/>
 
http://blog.chinaunix.net/uid-24186189-id-2623973.html

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