Java NIO 网络编程

当学习了Java NIO和IO的API后，一个问题马上涌入脑海：

我应该何时使用IO，何时使用NIO呢？在本文中，我会尽量清晰地解析Java NIO和IO的差异、它们的使用场景，以及它们如何影响您的代码设计。

Java NIO和IO的主要区别

下表总结了Java NIO和IO之间的主要差别，我会更详细地描述表中每部分的差异。

IO                NIO面向流            面向缓冲阻塞IO            非阻塞IO无                选择器

面向流与面向缓冲

Java NIO和IO之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。 Java NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

阻塞与非阻塞IO

Java IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

选择器（Selectors）

Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。

NIO和IO如何影响应用程序的设计

无论您选择IO或NIO工具箱，可能会影响您应用程序设计的以下几个方面：

1.  对NIO或IO类的API调用。
2. 数据处理。
3. 用来处理数据的线程数。

API调用

当然，使用NIO的API调用时看起来与使用IO时有所不同，但这并不意外，因为并不是仅从一个InputStream逐字节读取，而是数据必须先读入缓冲区再处理。

数据处理

使用纯粹的NIO设计相较IO设计，数据处理也受到影响。

在IO设计中，我们从InputStream或 Reader逐字节读取数据。假设你正在处理一基于行的文本数据流，例如：

Name: AnnaAge: 25Email: [e-mail]: 1234567890

该文本行的流可以这样处理：
InputStream input = … ; // get the InputStream from the client socket

1BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));

2 

3String nameLine   = reader.readLine();

4String ageLine    = reader.readLine();

5String emailLine  = reader.readLine();

6String phoneLine  = reader.readLine();

请注意处理状态由程序执行多久决定。换句话说，一旦reader.readLine()方法返回，你就知道肯定文本行就已读完， readline()阻塞直到整行读完，这就是原因。你也知道此行包含名称；同样，第二个readline()调用返回的时候，你知道这行包含年龄等。 正如你可以看到，该处理程序仅在有新数据读入时运行，并知道每步的数据是什么。一旦正在运行的线程已处理过读入的某些数据，该线程不会再回退数据（大多如此）。下图也说明了这条原则：

（Java IO: 从一个阻塞的流中读数据） 而一个NIO的实现会有所不同，下面是一个简单的例子：

1ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);

2 

3int bytesRead = inChannel.read(buffer);

注意第二行，从通道读取字节到ByteBuffer。当这个方法调用返回时，你不知道你所需的所有数据是否在缓冲区内。你所知道的是，该缓冲区包含一些字节，这使得处理有点困难。
假设第一次 read(buffer)调用后，读入缓冲区的数据只有半行，例如，“Name:An”，你能处理数据吗？显然不能，需要等待，直到整行数据读入缓存，在此之前，对数据的任何处理毫无意义。

所以，你怎么知道是否该缓冲区包含足够的数据可以处理呢？好了，你不知道。发现的方法只能查看缓冲区中的数据。其结果是，在你知道所有数据都在缓冲区里之前，你必须检查几次缓冲区的数据。这不仅效率低下，而且可以使程序设计方案杂乱不堪。例如：

1ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);

2 

3int bytesRead = inChannel.read(buffer);

4 

5while(! bufferFull(bytesRead) ) {

6 

7bytesRead = inChannel.read(buffer);

8 

9}

bufferFull()方法必须跟踪有多少数据读入缓冲区，并返回真或假，这取决于缓冲区是否已满。换句话说，如果缓冲区准备好被处理，那么表示缓冲区满了。

bufferFull()方法扫描缓冲区，但必须保持在bufferFull（）方法被调用之前状态相同。如果没有，下一个读入缓冲区的数据可能无法读到正确的位置。这是不可能的，但却是需要注意的又一问题。

如果缓冲区已满，它可以被处理。如果它不满，并且在你的实际案例中有意义，你或许能处理其中的部分数据。但是许多情况下并非如此。下图展示了“缓冲区数据循环就绪”：

Java NIO:从一个通道里读数据，直到所有的数据都读到缓冲区里.

3) 用来处理数据的线程数

NIO可让您只使用一个（或几个）单线程管理多个通道（网络连接或文件），但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。

如果需要管理同时打开的成千上万个连接，这些连接每次只是发送少量的数据，例如聊天服务器，实现NIO的服务器可能是一个优势。同样，如果你需要维持许多打开的连接到其他计算机上，如P2P网络中，使用一个单独的线程来管理你所有出站连接，可能是一个优势。一个线程多个连接的设计方案如下图所示：

Java NIO:实例.

package com.example.main;import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.SelectionKey;import java.nio.channels.Selector;import java.nio.channels.ServerSocketChannel;import java.nio.channels.SocketChannel;import java.nio.channels.spi.SelectorProvider;import java.util.Iterator;/**    * TCP/IP的NIO非阻塞方式   * 服务器端   * */public class Server implements Runnable {    //第一个端口       private Integer port1 = 8099;    //第二个端口       private Integer port2 = 9099;    //第一个服务器通道 服务A       private ServerSocketChannel serversocket1;    //第二个服务器通道 服务B       private ServerSocketChannel serversocket2;    //连接1       private SocketChannel clientchannel1;    //连接2       private SocketChannel clientchannel2;    //选择器，主要用来监控各个通道的事件       private Selector selector;        //缓冲区       private ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(512);        public Server() {        init();    }    /**       * 这个method的作用     * 1：是初始化选择器       * 2：打开两个通道       * 3：给通道上绑定一个socket       * 4：将选择器注册到通道上       * */    public void init() {        try {            //创建选择器               this.selector = SelectorProvider.provider().openSelector();            //打开第一个服务器通道               this.serversocket1 = ServerSocketChannel.open();            //告诉程序现在不是阻塞方式的               this.serversocket1.configureBlocking(false);            //获取现在与该通道关联的套接字               this.serversocket1.socket().bind(new InetSocketAddress("localhost", this.port1));            //将选择器注册到通道上，返回一个选择键               //OP_ACCEPT用于套接字接受操作的操作集位               this.serversocket1.register(this.selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);            //然后初始化第二个服务端               this.serversocket2 = ServerSocketChannel.open();            this.serversocket2.configureBlocking(false);            this.serversocket2.socket().bind(new InetSocketAddress("localhost", this.port2));            this.serversocket2.register(this.selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);        } catch (Exception e) {            e.printStackTrace();        }    }    /**       * 这个方法是连接       * 客户端连接服务器       * @throws IOException        * */    public void accept(SelectionKey key) throws IOException {        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();        if (server.equals(serversocket1)) {            clientchannel1 = server.accept();            clientchannel1.configureBlocking(false);            //OP_READ用于读取操作的操作集位               clientchannel1.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);        } else {            clientchannel2 = server.accept();            clientchannel2.configureBlocking(false);            //OP_READ用于读取操作的操作集位               clientchannel2.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);        }    }    /**       * 从通道中读取数据       * 并且判断是给那个服务通道的       * @throws IOException        * */    public void read(SelectionKey key) throws IOException {        this.buf.clear();        //通过选择键来找到之前注册的通道           //但是这里注册的是ServerSocketChannel为什么会返回一个SocketChannel？？           SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();        //从通道里面读取数据到缓冲区并返回读取字节数           int count = channel.read(this.buf);                if (count == -1) {            //取消这个通道的注册               key.channel().close();            key.cancel();            return;        }        //将数据从缓冲区中拿出来           String input = new String(this.buf.array()).trim();        //那么现在判断是连接的那种服务           if (channel.equals(this.clientchannel1)) {            System.out.println("欢迎您使用服务A");            System.out.println("您的输入为：" + input);        } else {            System.out.println("欢迎您使用服务B");            System.out.println("您的输入为：" + input);        }    }    @Override    public void run() {        while (true) {            try {                System.out.println("running ... ");                //选择一组键，其相应的通道已为 I/O 操作准备就绪。                   this.selector.select();                //返回此选择器的已选择键集                   //public abstract Set<SelectionKey> selectedKeys()                   Iterator selectorKeys = this.selector.selectedKeys().iterator();                while (selectorKeys.hasNext()) {                    System.out.println("running2 ... ");                    //这里找到当前的选择键                       SelectionKey key = (SelectionKey) selectorKeys.next();                    //然后将它从返回键队列中删除                       selectorKeys.remove();                    if (!key.isValid()) { // 选择键无效                        continue;                    }                    if (key.isAcceptable()) {                        //如果遇到请求那么就响应                           this.accept(key);                    } else if (key.isReadable()) {                        //读取客户端的数据                           this.read(key);                    }                }            } catch (Exception e) {                e.printStackTrace();            }        }    }    public static void main(String[] args) {        Server server = new Server();        Thread thread = new Thread(server);        thread.start();    }}

package com.example.main;import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.SocketChannel;import java.net.InetAddress;/**   * TCP/IP的NIO非阻塞方式 * 客户端   * */public class Client {    //创建缓冲区       private ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);    //访问服务器       public void query(String host, int port) throws IOException {        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(InetAddress.getByName(host), port);        SocketChannel socket = null;        byte[] bytes = new byte[512];        while (true) {            try {                System.in.read(bytes);                socket = SocketChannel.open();                socket.connect(address);                buffer.clear();                buffer.put(bytes);                buffer.flip();                socket.write(buffer);                buffer.clear();            } catch (Exception e) {                e.printStackTrace();            } finally {                if (socket != null) {                    socket.close();                }            }        }    }    public static void main(String[] args) throws IOException {        new Client().query("localhost", 8099);    }}