面試(Java之IO與NIO)_ZenDei技術網路在線

一、概念 NIO即New IO，這個庫是在JDK1.4中才引入的。NIO和IO有相同的作用和目的，但實現方式不同，NIO主要用到的是塊，所以NIO的效率要比IO高很多。在Java API中提供了兩套NIO，一套是針對標準輸入輸出NIO，另一套就是網路編程NIO。二、NIO和IO的主要區別下表總結 ...

一、概念

NIO即New IO，這個庫是在JDK1.4中才引入的。NIO和IO有相同的作用和目的，但實現方式不同，NIO主要用到的是塊，所以NIO的效率要比IO高很多。在Java API中提供了兩套NIO，一套是針對標準輸入輸出NIO，另一套就是網路編程NIO。

二、NIO和IO的主要區別

下表總結了Java IO和NIO之間的主要區別：

IO	NIO
面向流	面向緩衝
阻塞IO	非阻塞IO
無	選擇器

1、面向流與面向緩衝

Java IO和NIO之間第一個最大的區別是，IO是面向流的，NIO是面向緩衝區的。

Java IO面向流意味著每次從流中讀一個或多個位元組，直至讀取所有位元組，它們沒有被緩存在任何地方。此外，它不能前後移動流中的數據。如果需要前後移動從流中讀取的數據，需要先將它緩存到一個緩衝區。

Java NIO面向緩衝區的緩衝導向方法略有不同。數據讀取到一個它稍後處理的緩衝區，需要時可在緩衝區中前後移動。這就增加了處理過程中的靈活性。但是，還需要檢查是否該緩衝區中包含所有您需要處理的數據。而且，需確保當更多的數據讀入緩衝區時，不要覆蓋緩衝區里尚未處理的數據。

2、阻塞與非阻塞IO

Java IO的各種流是阻塞的。這意味著，當一個線程調用read() 或 write()時，該線程被阻塞，直到有一些數據被讀取，或數據完全寫入。該線程在此期間不能再乾任何事情了。

Java NIO的非阻塞模式，使一個線程從某通道發送請求讀取數據，但是它僅能得到目前可用的數據，如果目前沒有數據可用時，就什麼都不會獲取，而不是保持線程阻塞，所以直至數據變的可以讀取之前，該線程可以繼續做其他的事情。非阻塞寫也是如此。一個線程請求寫入一些數據到某通道，但不需要等待它完全寫入，這個線程同時可以去做別的事情。線程通常將非阻塞IO的空閑時間用於在其它通道上執行IO操作，所以一個單獨的線程現在可以管理多個輸入和輸出通道（channel）。

3、選擇器（Selectors）

Java NIO的選擇器允許一個單獨的線程來監視多個輸入通道，你可以註冊多個通道使用一個選擇器，然後使用一個單獨的線程來“選擇”通道：這些通道里已經有可以處理的輸入，或者選擇已準備寫入的通道。這種選擇機制，使得一個單獨的線程很容易來管理多個通道。

三、NIO和IO如何影響應用程式的設計

無論您選擇IO或NIO工具箱，可能會影響您應用程式設計的以下幾個方面：

1.對NIO或IO類的API調用。
2.數據處理。
3.用來處理數據的線程數。

1、API調用

當然，使用NIO的API調用時看起來與使用IO時有所不同，但這並不意外，因為並不是僅從一個InputStream逐位元組讀取，而是數據必須先讀入緩衝區再處理。

2、數據處理

使用純粹的NIO設計相較IO設計，數據處理也受到影響。

在IO設計中，我們從InputStream或 Reader逐位元組讀取數據。假設你正在處理一基於行的文本數據流，例如：

Name: Anna

Age: 25

Email: [email protected]

Phone: 1234567890

該文本行的流可以這樣處理：

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();

請註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，你就知道肯定文本行就已讀完， 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()調用返回的時候，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數據讀入時運行，並知道每步的數據是什麼。一旦正在運行的線程已處理過讀入的某些數據，該線程不會再回退數據（大多如此）。下圖也說明瞭這條原則：

而一個NIO的實現會有所不同，下麵是一個簡單的例子：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buffer);

註意第二行，從通道讀取位元組到ByteBuffer。當這個方法調用返回時，你不知道你所需的所有數據是否在緩衝區內。你所知道的是，該緩衝區包含一些位元組，這使得處理有點困難。假設第一次 read(buffer)調用後，讀入緩衝區的數據只有半行，例如，“Name:An”，你能處理數據嗎？顯然不能，需要等待，直到整行數據讀入緩存，在此之前，對數據的任何處理毫無意義。所以，你怎麼知道是否該緩衝區包含足夠的數據可以處理呢？好了，你不知道。發現的方法只能查看緩衝區中的數據。其結果是，在你知道所有數據都在緩衝區里之前，你必須檢查幾次緩衝區的數據。這不僅效率低下，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);

}

bufferFull()方法必須跟蹤有多少數據讀入緩衝區，並返回真或假，這取決於緩衝區是否已滿。換句話說，如果緩衝區準備好被處理，那麼表示緩衝區滿了。

bufferFull()方法掃描緩衝區，但必須保持在bufferFull（）方法被調用之前狀態相同。如果沒有，下一個讀入緩衝區的數據可能無法讀到正確的位置。這是不可能的，但卻是需要註意的又一問題。

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數據。但是許多情況下並非如此。下圖展示了“緩衝區數據迴圈就緒”：

四、IO與NIO的選擇

NIO可讓您只使用一個（或幾個）單線程管理多個通道（網路連接或文件），但付出的代價是解析數據可能會比從一個阻塞流中讀取數據更複雜。

如果需要管理同時打開的成千上萬個連接，這些連接每次只是發送少量的數據，例如聊天伺服器，實現NIO的伺服器可能是一個優勢。同樣，如果你需要維持許多打開的連接到其他電腦上，如P2P網路中，使用一個單獨的線程來管理你所有出站連接，可能是一個優勢。一個線程多個連接的設計方案如下圖所示：

Java NIO: 單線程管理多個連接

如果你有少量的連接使用非常高的帶寬，一次發送大量的數據，也許典型的IO伺服器實現可能非常契合。下圖說明瞭一個典型的IO伺服器設計：

Java IO: 一個典型的IO伺服器設計- 一個連接通過一個線程處理.

PS.

1. Java IO 流中涉及到了哪些設計策略和設計模式

Java 的 IO 庫提供了一種鏈接（Chaining）機制，可以將一個流處理器跟另一個流處理器首尾相接，以其中之一的輸出作為另一個的輸入而形成一個流管道鏈接，譬如常見的 new DataInputStream(new FileInputStream(file)) 就是把 FileInputStream 流當作 DataInputStream 流的管道鏈接。其次，對於 Java IO 流還涉及一種對稱性的設計策略，其表現為輸入輸出對稱性（如 InputStream 和 OutputStream 的位元組輸入輸出操作，Reader 和 Writer 的字元輸入輸出操作）和位元組字元的對稱性（InputStream 和 Reader 的位元組字元輸入操作，OutputStream 和 Writer 的位元組字元輸出操作）。此外，對於 Java IO 流在整體設計上還涉及裝飾者（Decorator）和適配器（Adapter）兩種設計模式。

對於 IO 流涉及的裝飾者設計模式例子如下：

//把InputStreamReader裝飾成BufferedReader來成為具備緩衝能力的Reader。BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(inputStreamReader);

對於 IO 流涉及的適配器設計模式例子如下：

//把FileInputStream文件位元組流適配成InputStreamReader字元流來操作文件字元串。

FileInputStream fileInput = new FileInputStream(file);

InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(fileInput);

而對於上面涉及的兩種設計模式通俗總結如下。裝飾者模式就是給一個對象增加一些新的功能，而且是動態的，要求裝飾對象和被裝飾對象實現同一個介面，裝飾對象持有被裝飾對象的實例（各種字元流間裝飾，各種位元組流間裝飾）。適配器模式就是將某個類的介面轉換成我們期望的另一個介面表示，目的是消除由於介面不匹配所造成的類的相容性問題（字元流與位元組流間互相適配）。

2. 位元組流與字元流有什麼區別:

電腦中的一切最終都是以二進位位元組形式存在的，對於我們經常操作的字元串，在寫入時其實都是先得到了其對應的位元組，然後將位元組寫入到輸出流，在讀取時其實都是先讀到的是位元組，然後將位元組直接使用或者轉換為字元給我們使用。由於對於位元組和字元兩種操作的需求比較廣泛，所以 Java 專門提供了字元流與位元組流相關IO類。對於程式運行的底層設備來說永遠都只接受位元組數據，所以當我們往設備寫數據時無論是位元組還是字元最終都是寫的位元組流。字元流是位元組流的包裝類，所以當我們將字元流向位元組流轉換時要註意編碼問題（因為字元串轉成位元組數組的實質是轉成該字元串的某種位元組編碼）。字元流和位元組流的使用非常相似，但是實際上位元組流的操作不會經過緩衝區（記憶體）而是直接操作文本本身的，而字元流的操作會先經過緩衝區（記憶體）然後通過緩衝區再操作文件。

字元流和位元組流的使用非常相似，但是實際上位元組流的操作不會經過緩衝區（記憶體）而是直接操作文本本身的，而字元流的操作會先經過緩衝區（記憶體）然後通過緩衝區再操作文件。

3. 位元組流和字元流哪個好，如何選擇？

緩大多數情況下使用位元組流會更好，因為位元組流是字元流的包裝，而大多數時候 IO 操作都是直接操作磁碟文件，所以這些流在傳輸時都是以位元組的方式進行的（圖片等都是按位元組存儲的）。

而如果對於操作需要通過 IO 在記憶體中頻繁處理字元串的情況使用字元流會好些，因為字元流具備緩衝區，提高了性能。