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Java NIO 比传统 IO 强在哪里？ |
NIO比IO强在哪？ |
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本篇内容主要讲述了 NIO 和传统 IO 之间的差异。首先，传统 IO 采用阻塞模型，而 NIO 使用非阻塞模型，通过选择器监控多个通道上的 I/O 事件，从而提升性能与可伸缩性。其次，在文件操作方面，传统 IO 依赖字节流或字符流进行文件读写，而 NIO 则利用通道和缓冲区进行操作，性能优势相对较小。最后，在网络传输方面，传统 IO 使用 Socket 和 ServerSocket，而 NIO 提供了 SocketChannel 和 ServerSocketChannel，支持非阻塞网络传输，进一步增强并发处理能力。 |
沉默王二 |
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我花了几天时间去了解NIO 的核心知识，期间看了《Java 编程思想》和《疯狂 Java 讲义》中的 NIO 模块。但是，看完之后还是很迷，不知道 NIO 是干嘛用的，网上的资料和书上的知识点没有很好地对应上。
我这里先给大家展示一副传统 IO 和 NIO 的对比图，感受一下。
传统 IO 基于字节流或字符流（如 FileInputStream、BufferedReader 等）进行文件读写，以及使用 Socket 和 ServerSocket 进行网络传输。
NIO 使用通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行文件操作，以及使用 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 进行网络传输。
传统 IO 采用阻塞式模型，对于每个连接，都需要创建一个独立的线程来处理读写操作。当一个线程在等待 I/O 操作时，无法执行其他任务。这会导致大量线程的创建和销毁，以及上下文切换，降低了系统性能。
NIO 使用非阻塞模型，允许线程在等待 I/O 时执行其他任务。这种模式通过使用选择器（Selector）来监控多个通道（Channel）上的 I/O 事件，实现了更高的性能和可伸缩性。
JDK 1.4 中，java.nio.*包引入新的 Java I/O 库，其目的是提高速度。实际上，“旧”的 I/O 包已经使用 NIO重新实现过，即使我们不显式的使用 NIO 编程，也能从中受益。
- nio 翻译成 no-blocking io 或者 new io 都无所谓啦，都说得通~
在《Java 编程思想》读到“即使我们不显式的使用 NIO 编程，也能从中受益”的时候，我是挺在意的，所以：我们测试一下使用 NIO 复制文件和传统 IO 复制文件 的性能：
public class SimpleFileTransferTest {
// 使用传统的 I/O 方法传输文件
private long transferFile(File source, File des) throws IOException {
long startTime = System.currentTimeMillis();
if (!des.exists())
des.createNewFile();
// 创建输入输出流
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(source));
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(des));
// 使用数组传输数据
byte[] bytes = new byte[1024 * 1024];
int len;
while ((len = bis.read(bytes)) != -1) {
bos.write(bytes, 0, len);
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
return endTime - startTime;
}
// 使用 NIO 方法传输文件
private long transferFileWithNIO(File source, File des) throws IOException {
long startTime = System.currentTimeMillis();
if (!des.exists())
des.createNewFile();
// 创建随机存取文件对象
RandomAccessFile read = new RandomAccessFile(source, "rw");
RandomAccessFile write = new RandomAccessFile(des, "rw");
// 获取文件通道
FileChannel readChannel = read.getChannel();
FileChannel writeChannel = write.getChannel();
// 创建并使用 ByteBuffer 传输数据
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);
while (readChannel.read(byteBuffer) > 0) {
byteBuffer.flip();
writeChannel.write(byteBuffer);
byteBuffer.clear();
}
// 关闭文件通道
writeChannel.close();
readChannel.close();
long endTime = System.currentTimeMillis();
return endTime - startTime;
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
SimpleFileTransferTest simpleFileTransferTest = new SimpleFileTransferTest();
File sourse = new File("[电影天堂www.dygod.cn]猜火车-cd1.rmvb");
File des = new File("io.avi");
File nio = new File("nio.avi");
// 比较传统的 I/O 和 NIO 传输文件的时间
long time = simpleFileTransferTest.transferFile(sourse, des);
System.out.println(time + "：普通字节流时间");
long timeNio = simpleFileTransferTest.transferFileWithNIO(sourse, nio);
System.out.println(timeNio + "：NIO时间");
}
}先解释一下这段代码，里面出现的 RandomAccessFile 我们之前讲过，FileChannel 是 Java NIO（New I/O）库中的一个类，它提供了对文件的高效 I/O 操作，支持随机访问文件，允许在文件的任意位置进行读写操作。
与 RandomAccessFile 不同，FileChannel 使用了缓冲区（ByteBuffer）进行数据传输。
好，在我给出实际的结论之前，你是否会有这样的结论：
- 对于较小的文件，NIO 和普通 IO 之间的性能差异可能不会非常明显，因为文件本身较小，复制过程较快。
- 对于较大的文件，使用 NIO 的性能可能会明显优于普通 IO。因为 NIO 使用了更高效的缓冲区和通道机制，可以在内存中进行更快的数据传输。
然而实际的结果，却会令你大跌眼镜：
文件越大的情况下，竟然普通字节流（传统 IO）的速度更快(当然了，个人测试，或许不是很准)，那还要 NIO 做什么呢？况且 NIO 的学习成本也比传统 IO 要高一些。
那这意味着我们可以不使用/学习 NIO 了吗？
答案是否定的，IO 操作往往在两个场景下会用到：
- 文件 IO
- 网络 IO
而 NIO 的魅力主要体现在网络中！
NIO（New I/O）的设计目标是解决传统 I/O（BIO，Blocking I/O）在处理大量并发连接时的性能瓶颈。传统 I/O 在网络通信中主要使用阻塞式 I/O，为每个连接分配一个线程。当连接数量增加时，系统性能将受到严重影响，线程资源成为关键瓶颈。而 NIO 提供了非阻塞 I/O 和 I/O 多路复用，可以在单个线程中处理多个并发连接，从而在网络传输中显著提高性能。
以下是 NIO 在网络传输中优于传统 I/O 的原因：
①、NIO 支持非阻塞 I/O，这意味着在执行 I/O 操作时，线程不会被阻塞。这使得在网络传输中可以有效地管理大量并发连接（数千甚至数百万）。而在操作文件时，这个优势没有那么明显，因为文件读写通常不涉及大量并发操作。
②、NIO 支持 I/O 多路复用，这意味着一个线程可以同时监视多个通道（如套接字），并在 I/O 事件（如可读、可写）准备好时处理它们。这大大提高了网络传输中的性能，因为单个线程可以高效地管理多个并发连接。操作文件时这个优势也无法提现出来。
③、NIO 提供了 ByteBuffer 类，可以高效地管理缓冲区。这在网络传输中很重要，因为数据通常是以字节流的形式传输。操作文件的时候，虽然也有缓冲区，但优势仍然不够明显。
来看服务器端代码的差别。
IO，用的套接字，代码比较简单，我就不加注释了，之前学过，应该都能看得懂，用 while 循环监听客户端 Socket：
public class IOServer {
public static void main(String[] args) {
try {
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
while (true) {
Socket client = serverSocket.accept();
InputStream in = client.getInputStream();
OutputStream out = client.getOutputStream();
byte[] buffer = new byte[1024];
int bytesRead = in.read(buffer);
out.write(buffer, 0, bytesRead);
in.close();
out.close();
client.close();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}NIO，这部分我加上注释，主要用到的是 ServerSocketChannel 和 Selector：
public class NIOServer {
public static void main(String[] args) {
try {
// 创建 ServerSocketChannel
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 绑定端口
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8081));
// 设置为非阻塞模式
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
// 创建 Selector
Selector selector = Selector.open();
// 将 ServerSocketChannel 注册到 Selector，关注 OP_ACCEPT 事件
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 无限循环，处理事件
while (true) {
// 阻塞直到有事件发生
selector.select();
// 获取发生事件的 SelectionKey
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
// 处理完后，从 selectedKeys 集合中移除
iterator.remove();
// 判断事件类型
if (key.isAcceptable()) {
// 有新的连接请求
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
// 接受连接
SocketChannel client = server.accept();
// 设置为非阻塞模式
client.configureBlocking(false);
// 将新的 SocketChannel 注册到 Selector，关注 OP_READ 事件
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
// 有数据可读
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
// 创建 ByteBuffer 缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 从 SocketChannel 中读取数据并写入 ByteBuffer
client.read(buffer);
// 翻转 ByteBuffer，准备读取
buffer.flip();
// 将数据从 ByteBuffer 写回到 SocketChannel
client.write(buffer);
// 关闭连接
client.close();
}
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}上面的代码创建了一个基于 Java NIO 的简单 TCP 服务器。它使用 ServerSocketChannel 和 Selector（后面会讲） 实现了非阻塞 I/O 和 I/O 多路复用。服务器循环监听事件，当有新的连接请求时，接受连接并将新的 SocketChannel 注册到 Selector，关注 OP_READ 事件。当有数据可读时，从 SocketChannel 中读取数据并写入 ByteBuffer，然后将数据从 ByteBuffer 写回到 SocketChannel。
这里简单说一下 Socket 和 ServerSocket，以及 ServerSocketChannel 和 SocketChannel。
Socket 和 ServerSocket 是传统的阻塞式 I/O 编程方式，用于建立和管理 TCP 连接。
- Socket：表示客户端套接字，负责与服务器端建立连接并进行数据的读写。
- ServerSocket：表示服务器端套接字，负责监听客户端连接请求。当有新的连接请求时，ServerSocket 会创建一个新的 Socket 实例，用于与客户端进行通信。
在传统阻塞式 I/O 编程中，每个连接都需要一个单独的线程进行处理，这导致了在高并发场景下的性能问题。在接下来的客户端测试用例中会看到。
为了解决传统阻塞式 I/O 的性能问题，Java NIO 引入了 ServerSocketChannel 和 SocketChannel。它们是非阻塞 I/O，可以在单个线程中处理多个连接。
- ServerSocketChannel：类似于 ServerSocket，表示服务器端套接字通道。它负责监听客户端连接请求，并可以设置为非阻塞模式，这意味着在等待客户端连接请求时不会阻塞线程。
- SocketChannel：类似于 Socket，表示客户端套接字通道。它负责与服务器端建立连接并进行数据的读写。SocketChannel 也可以设置为非阻塞模式，在读写数据时不会阻塞线程。
再来简单说一下 Selector，后面会再细讲。
Selector 是 Java NIO 中的一个关键组件，用于实现 I/O 多路复用。它允许在单个线程中同时监控多个 ServerSocketChannel 和 SocketChannel，并通过 SelectionKey 标识关注的事件。当某个事件发生时，Selector 会将对应的 SelectionKey 添加到已选择的键集合中。通过使用 Selector，可以在单个线程中同时处理多个连接，从而有效地提高 I/O 操作的性能，特别是在高并发场景下。
客户端测试用例：
public class TestClient {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
int clientCount = 10000;
ExecutorService executorServiceIO = Executors.newFixedThreadPool(10);
ExecutorService executorServiceNIO = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 使用传统 IO 的客户端
Runnable ioClient = () -> {
try {
Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
OutputStream out = socket.getOutputStream();
InputStream in = socket.getInputStream();
out.write("Hello, 沉默王二 IO!".getBytes());
byte[] buffer = new byte[1024];
in.read(buffer);
in.close();
out.close();
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
};
// 使用 NIO 的客户端
Runnable nioClient = () -> {
try {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8081));
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, 沉默王二 NIO!".getBytes());
socketChannel.write(buffer);
buffer.clear();
socketChannel.read(buffer);
socketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
};
// 分别测试 NIO 和传统 IO 的服务器性能
long startTime, endTime;
startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < clientCount; i++) {
executorServiceIO.execute(ioClient);
}
executorServiceIO.shutdown();
executorServiceIO.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("传统 IO 服务器处理 " + clientCount + " 个客户端耗时: " + (endTime - startTime) + "ms");
startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < clientCount; i++) {
executorServiceNIO.execute(nioClient);
}
executorServiceNIO.shutdown();
executorServiceNIO.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("NIO 服务器处理 " + clientCount + " 个客户端耗时: " + (endTime - startTime) + "ms");
}
}在这个简单的性能测试中，我们使用固定线程池（10个线程）来模拟客户端并发请求。分别测试 NIO 和传统 IO 服务器处理 10000 个客户端请求所需的时间。来看一下结果。
可以看得出，NIO 比 传统 IO 差不多快一倍的时间。当然了，这是放在我本地测试的，如果服务端放在生产环境下，这个结果会有所不同，但我在本地跑了几次，结果差不多是这样的结果。
这说明 NIO 在网络传输中的性能确实要优于传统 IO 的。
本篇内容主要讲了 NIO（New IO）和传统 IO 之间的差异，包括 IO 模型、操作文件、网络传输等方面。
- 传统 I/O 采用阻塞式模型，线程在 I/O 操作期间无法执行其他任务。NIO 使用非阻塞模型，允许线程在等待 I/O 时执行其他任务，通过选择器（Selector）监控多个通道（Channel）上的 I/O 事件，提高性能和可伸缩性。
- 传统 I/O 使用基于字节流或字符流的类（如 FileInputStream、BufferedReader 等）进行文件读写。NIO 使用通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行文件操作，NIO 在性能上的优势并不大。
- 传统 I/O 使用 Socket 和 ServerSocket 进行网络传输，存在阻塞问题。NIO 提供了 SocketChannel 和 ServerSocketChannel，支持非阻塞网络传输，提高了并发处理能力。
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