java.io和util的區別_Java NIO與IO的區別和比較

Java NIO與IO的區別和比較

導讀

J2SE1.4以上版本中發布了全新的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。Buffer：它是包含數據且用于讀寫的線形表結構。其中還提供了一個特殊類用于內存映射文件的I/O操作。

Charset：它提供Unicode字符串影射到字節序列以及逆影射的操作。

Channels：包含socket，file和pipe三種管道，它實際上是雙向交流的通道。

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。以網絡應用為例，傳統方式需要監聽一個ServerSocket，接受請求的連接為其提供服務(服務通常包括了處理請求并發送響應)圖一是服務器的生命周期圖，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)；//然后接受新的連接請求

Socket newConnection=server.accept()；//對于accept方法的調用將造成阻塞，直到ServerSocket接受到一個連接請求為止。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= newInputStreamReader(in);

BufferedReader buffer= newBufferedReader(reader);

Request request= newRequest();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()方法在其緩沖區未滿時會造成線程阻塞，只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，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()；intch；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，所以應該使用緩沖區，但是一旦使用緩沖，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并且占用一些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并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，但是并沒有處理字符轉換。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。通道可以認為是一種連接，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分別用于讀寫。

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為阻塞或非阻塞I/O操作服務。

為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，我們一般知道什么時候可以向stream中讀或寫，因為方法調用直到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么時候通道準備好了。在NIO包中，設計Selector就是為了這個目的。SelectableChannel可以注冊特定的事件，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上的任意一個selection方法時，它查看注冊了的通道看是否有任何感興趣的事件發生。圖四是selector和兩個已注冊的通道的例子

并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。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。

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。

importjava.nio.ByteBuffer;importjava.nio.channels.SocketChannel;importjava.nio.charset.Charset;importjava.net.InetSocketAddress;importjava.io.IOException;public classSocketChannelReader {private Charset charset = Charset.forName("UTF-8");//創建UTF-8字符集

privateSocketChannel channel;public voidgetHTMLContent() {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 = newInetSocketAddress("www.csdn.net", 80);

channel=SocketChannel.open(socketAddress);//使用工廠方法open創建一個channel并將它連接到指定地址上//相當與SocketChannel.open().connect(socketAddress);調用

}private void sendRequest() throwsIOException {

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 voidmain(String[] args) {try{newSocketChannelReader().getHTMLContent();

}catch(Exception e) {

e.printStackTrace();

}

2．簡單的加法服務器和客戶機

服務器代碼

packagemjorcen.nio.test;importjava.nio.ByteBuffer;importjava.nio.IntBuffer;importjava.nio.channels.ServerSocketChannel;importjava.nio.channels.SocketChannel;importjava.net.InetSocketAddress;importjava.io.IOException;/*** SumServer.java

* Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003

*@authorstarchu1981

*@version1.0*/

public classSumServer {private ByteBuffer _buffer = ByteBuffer.allocate(8);private IntBuffer _intBuffer =_buffer.asIntBuffer();private SocketChannel _clientChannel = null;private ServerSocketChannel _serverChannel = null;public voidstart() {try{

openChannel();

waitForConnection();

}catch(IOException e) {

System.err.println(e.toString());

}

}private void openChannel() throwsIOException {

_serverChannel=ServerSocketChannel.open();

_serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000));

System.out.println("服務器通道已經打開");

}private void waitForConnection() throwsIOException {while (true) {

_clientChannel=_serverChannel.accept();if (_clientChannel != null) {

System.out.println("新的連接加入");

processRequest();

_clientChannel.close();

}

}private void processRequest() throwsIOException {

_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 voidmain(String[] args) {newSumServer().start();

}

}//SumServer

客戶代碼

packagemjorcen.nio.test;importjava.nio.ByteBuffer;importjava.nio.IntBuffer;importjava.nio.channels.SocketChannel;importjava.net.InetSocketAddress;importjava.io.IOException;/*** SumClient.java

* Created: Thu Nov 06 11:26:06 2003

*@authorstarchu1981

*@version1.0*/

public classSumClient {private ByteBuffer _buffer = ByteBuffer.allocate(8);privateIntBuffer _intBuffer;privateSocketChannel _channel;publicSumClient() {

_intBuffer=_buffer.asIntBuffer();

}//SumClient constructor

public int getSum(int first, intsecond) {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) {

}

}returnresult;

}private SocketChannel connect() throwsIOException {

InetSocketAddress socketAddress= new InetSocketAddress("localhost",10000);returnSocketChannel.open(socketAddress);

}private void sendSumRequest(int first, int second) throwsIOException {

_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() throwsIOException {

_buffer.clear();

_channel.read(_buffer);return _intBuffer.get(0);

}public static voidmain(String[] args) {

SumClient sumClient= newSumClient();

System.out.println("加法結果為 :" + 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);//設置成為非阻塞模式

重寫WaitForConnection方法的代碼如下，使用非阻塞方式 (這里我稍微改了下,不知道對不對, 原來博主的跑不了,)

private void waitForConnection() throwsIOException {

Selector acceptSelector=SelectorProvider.provider().openSelector();/** 在服務器套接字上注冊selector并設置為接受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，允許多元非阻塞I/O發生。*/SelectionKey acceptKey=_serverChannel.register(acceptSelector,

SelectionKey.OP_ACCEPT);int keysAdded = 0;/*select方法在任何上面注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，并處理加法請求

while(i.hasNext()) {

SelectionKey sk=(SelectionKey) i.next();

i.remove();

ServerSocketChannel nextReady=(ServerSocketChannel) sk

.channel();//接受加法請求并處理它

_clientChannel =nextReady.accept().socket().getChannel();

processRequest();

_clientChannel.close();

}

服務端整體改完之后代碼:

packagemjorcen.nio.test;importjava.io.IOException;importjava.net.InetSocketAddress;importjava.net.Socket;importjava.nio.ByteBuffer;importjava.nio.IntBuffer;importjava.nio.channels.SelectableChannel;importjava.nio.channels.SelectionKey;importjava.nio.channels.Selector;importjava.nio.channels.ServerSocketChannel;importjava.nio.channels.SocketChannel;importjava.nio.channels.spi.SelectorProvider;importjava.util.Iterator;importjava.util.Set;/*** SumServer.java

* Created: Thu Nov 06 11:41:52 2003

*@authorstarchu1981

*@version1.0*/

openChannel();

waitForConnection();

}catch(IOException e) {

System.err.println(e.toString());

}

}private void openChannel() throwsIOException {

_serverChannel=ServerSocketChannel.open();

_serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(10000));

_serverChannel.configureBlocking(false);//設置成為非阻塞模式