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Java输入输出IO、NIO和AIO对比分析

时间:2024-7-24 11:46     作者:韩俊     分类: Java


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    1、Java I/O发展史    

    Java IO(Input/Output)是Java语言中用于读写数据的API,它提供了一系列类和接口,用于读取和写入各种类型的数据。下面是Java IO发展史的简要介绍:

      JDK 1.0(1996年) 最初的Java IO只支持字节流(InputStream、OutputStream)和字符流(Reader、Writer)两种,基于阻塞式IO(BIO)模型。

      JDK 1.1(1997年) JDK 1.1引入了NIO(New IO)包,支持了缓存区(Buffer)、通道(Channel)等概念,提供了更高效的IO操作方式,可以实现非阻塞式IO(NIO)模式。

      JDK 1.4(2002年) JDK 1.4增加了NIO.2 API,也称为Java NIO with buffers,提供了更   强大的文件处理功能和更高效的IO操作。

      JDK 7(2011年) JDK 7引入了NIO.2的改进版——NIO.2 with Completion Ports,也称为AIO(Asynchronous IO),支持异步IO方式,在处理大量并发请求时具有优势。

    以下是三者之间的区别:

      阻塞IO(BIO) BIO是Java最初的IO模型,它采用阻塞方式进行数据读写操作。即当一个线程在执行IO操作时,若没有数据可读,则该线程会一直阻塞等待,直到有数据可读或者超时。BIO适合处理连接数比较小且固定的场景,但并发能力不足。

      非阻塞IO(NIO) NIO是Java 1.4引入的新的IO模型,它采用了多路复用器(Selector)机制,通过少量线程同时管理多个通道,实现了单线程同时处理多个请求的效果。NIO具有高并发性、高吞吐量和更高的可靠性,适合处理连接数多且连接时间较短的场景。

      异步IO(AIO) AIO是Java 1.7开始支持的IO模型,它采用事件驱动的方式进行数据读写操作,当数据准备好后,在回调函数中进行处理。与NIO不同,AIO的读写操作是异步的,不需要通过轮询方式去检查数据是否准备好。AIO适合处理连接数多、连接时间长且有较多读写操作的场景。

    2、Java IO

    2.1 简介

    在Java编程中,IO(Input/Output)操作是非常常见的操作,它涉及到文件读写、网络通信等方面。Java提供了各种类来支持这些操作。本文将从IO的基础知识讲起,逐步深入,介绍Java IO的各个方面。

    2.2 基础概念

    2.2.1 输入流和输出流

    在Java中,输入流(InputStream)和输出流(OutputStream)是两个重要的抽象类。输入流表示输入数据的来源,可以是文件、网络连接、管道等;输出流表示输出数据的去向,可以是文件、网络连接、管道等。输入流和输出流的使用方式是相似的,都是通过创建流对象,然后使用相应的方法接口进行读写操作。

    2.2.2 字节流和字符流

    Java中的IO操作还可以分为字节流和字符流两种。字节流以字节(byte)为单位进行操作,适用于处理二进制数据,例如图像、音频等;而字符流以字符(char)为单位进行操作,适用于处理文本数据,例如文本文件等。Java中,字节流主要由InputStream和OutputStream类以及其子类实现,而字符流主要由Reader和Writer类以及其子类实现。

    2.2.3 缓冲流

    在进行IO操作时,我们可能需要经常进行读写操作,而频繁的读写可能会导致性能问题。为了解决这个问题,Java提供了缓冲流(Buffered Stream)来提高IO操作的效率。缓冲流可以通过内部缓存区域来减少对底层资源的访问次数,从而提高数据读写的效率。

    2.3 Java IO的使用

    2.3.1 文件读写

    Java中的文件读写是开发中最常见的操作之一。下面是一个读取文件内容并输出的示例:

        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt");
             InputStreamReader isr = new InputStreamReader(fis);
             BufferedReader br = new BufferedReader(isr)) {
            String line;
            while ((line = br.readLine()) != null) {
                System.out.println(line);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    在这个示例中,我们使用了FileInputStream、InputStreamReader和BufferedReader等类来完成文件的读取。首先,我们通过FileInputStream类创建了一个输入流对象,并指定了要读取的文件名称;然后通过InputStreamReader将字节流转换为字符流,再通过BufferedReader实现按行读取文本内容。

    类似地,在Java中进行文件写操作也非常简单,下面是一个写入文件的示例:

    try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("test.txt");
         OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(fos);
         BufferedWriter bw = new BufferedWriter(osw)) {
        bw.write("Hello, world!");
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }

    在这个示例中,我们使用了FileOutputStream、OutputStreamWriter和BufferedWriter等类来完成文件的写入。首先,我们通过FileOutputStream类创建了一个输出流对象,并指定了要写入的文件名称;然后通过OutputStreamWriter将字节流转换为字符流,再通过BufferedWriter实现按行写入文本内容。

    3、Java NIO

    3.1 简介

    Java NIO(New IO)是Java SE 1.4引入的一个新的IO API,它提供了比传统IO更高效、更灵活的IO操作。与传统IO相比,Java NIO的优势在于它支持非阻塞IO和选择器(Selector)等特性,能够更好地支持高并发、高吞吐量的应用场景。本文将从NIO的基础知识讲起,逐步深入,介绍Java NIO的各个方面。

    3.2 核心概念

    3.2.1 选择器(Selector)

    选择器是Java NIO中的一个重要组件,它可以用于同时监控多个通道的读写事件,并在有事件发生时立即做出响应。选择器可以实现单线程监听多个通道的效果,从而提高系统吞吐量和运行效率。

    3.2.2 通道(Channel)

    通道是一个用于读写数据的对象,类似于Java IO中的流(Stream)。与流不同的是,通道可以进行非阻塞式的读写操作,并且可以同时进行读写操作。通道分为两种类型:FileChannel和SocketChannel,分别用于文件和网络

    通信。

    3.2.3 缓冲区(Buffer)

    在Java NIO中,所有数据都是通过缓冲区对象进行传输的。缓冲区是一段连续的内存块,可以保存需要读写的数据。缓冲区对象包含了一些状态变量,例如容量(capacity)、限制(limit)、位置(position)等,用于控制数据的读写。

    3.3 Java NIO的使用

    3.3.1 缓冲区操作

    Java NIO中的缓冲区操作主要包括数据读取和数据写入两种操作。下面是一个简单的缓冲区读取示例:

    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    try (FileChannel channel = new FileInputStream("test.txt").getChannel()) {
        int bytesRead = channel.read(buffer);
        while (bytesRead != -1) {
            buffer.flip();
            while (buffer.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) buffer.get());
            }
            buffer.clear();
            bytesRead = channel.read(buffer);
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }

    在这个示例中,我们使用了FileChannel类和ByteBuffer类来完成文件的读取。首先,我们通过FileInputStream类创建了一个输入流对象,然后通过getChannel()方法获取到对应的通道对象;接着,我们创建了一个容量为1024字节的ByteBuffer对象,并调用read()方法从通道中读取数据,将读取到的数据保存在缓冲区中。读取完成后,我们通过flip()方法将缓冲区切换为读模式,并使用hasRemaining()和get()方法逐个读取数据;最后通过clear()方法清空缓冲区,准备进行下一轮读取。

    Java NIO中的缓冲区写操作也非常类似,下面是一个简单的缓冲区写入示例:

    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, world!".getBytes());
    try (FileChannel channel = new FileOutputStream("test.txt").getChannel()) {
        channel.write(buffer);
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }

    在这个示例中,我们使用了FileChannel类和ByteBuffer类来完成文件的写入。首先,我们通过ByteBuffer.wrap()方法将字符串转换为ByteBuffer对象;然后,我们通过FileOutputStream类创建了一个输出流对象,再通过getChannel()方法获取到对应的通道对象;接着,我们调用write()方法将缓冲区中的数据写入通道中,完成文件写入操作。

    3.3.2 通道操作

    Java NIO中的通道(Channel)是用于进行数据传输的对象。通道可以连接到源或目标节点,用于读取和写入数据。与传统的Java IO不同,NIO中的通道可以实现非阻塞式地读写数据,从而提高了应用程序的性能和并发处理能力。

    要使用通道进行读写操作,首先需要打开通道。Java NIO中有多种类型的通道,每种通道都提供了自己的打开方式。例如,要打开一个文件通道,可以通过FileInputStream或FileOutputStream对象获取对应的FileChannel对象,如下所示:

        FileChannel channel = new FileInputStream("file.txt").getChannel();

    读取数据 一旦打开了通道,就可以开始读取数据。在NIO中,数据通过缓冲区进行传输。要读取数据,需要将数据存储在缓冲区中,然后从缓冲区中读取数据。以下是一个简单的读取操作示例:

    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    // 从通道中读取数据
    int bytesRead = channel.read(buffer);
    while (bytesRead != -1) {
        // 切换为读模式
        buffer.flip();
        // 读取缓冲区中的数据
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get());
        }
        // 清空缓冲区
        buffer.clear();
        bytesRead = channel.read(buffer);
    }

    在这个示例中,我们首先创建了一个容量为1024字节的ByteBuffer对象,并使用channel.read()方法从文件通道中读取数据。读取到数据后,我们将ByteBuffer切换为读模式,再使用hasRemaining()和get()方法逐个读取缓冲区中的数据。

    写入数据 要写入数据,也需要将数据存储在缓冲区中,然后将缓冲区中的数据写入到通道中。以下是一个简单的写入操作示例:

    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, world!".getBytes());
    // 将数据写入通道
    channel.write(buffer);

    在这个示例中,我们首先使用ByteBuffer.wrap()方法将字符串转换为ByteBuffer对象,在通过channel.write()方法将ByteBuffer中的数据写入到通道中。

    4、Java AIO

    Java AIO(Asynchronous IO)是一种基于事件和回调的IO模型,相比Java BIO(Blocking IO)和Java NIO(Non-blocking IO),它具有更高的并发性、更高的吞吐量和更高的可靠性。本文将介绍Java AIO的原理、特点和应用。

    4.1 Java AIO的原理

    Java AIO采用异步IO方式进行数据读写操作,与Java NIO不同,它不需要通过轮询方式去检查数据是否准备好,而是由操作系统完成。当数据准备好后,操作系统会通知应用程序,并在回调函数中进行处理。

    AIO使用了三个核心组件:AsynchronousChannel、CompletionHandler和
    AsynchronousServerSocketChannel。其中,AsynchronousChannel是读/写数据的通道,CompletionHandler是I/O操作完成时的回调方法,AsynchronousServerSocketChannel是异步服务器端套接字通道,用于监听客户端的连接请求。

    当数据准备好后,操作系统将通知应用程序,并在回调函数中执行I/O操作完成时的回调方法。这样就避免了线程阻塞等待I/O操作完成的情况,从而提高了程序的效率和并发处理能力。

    4.2 Java AIO的特点

      高并发性:Java AIO采用异步IO方式进行数据读写操作,可以实现高并发处理能力。

      高吞吐量:Java AIO支持异步读写操作,可以同时处理多个请求,从而提高了数据读写的效率和吞吐量。

      高可靠性:由于Java AIO采用异步IO方式进行数据读写操作,可以避免线程阻塞等待I/O操作完成的情况,从而提高程序的可靠性。

      简单易用:Java AIO提供了简单易用的API,不需要编写复杂的代码就可以实现异步IO操作。

    4.3 Java AIO的应用

    Java AIO适用于需要大量并发连接,但每个连接却很少有数据交互的场景,例如基于消息的应用程序、远程过程调用(RPC)等。在这些应用场景中,AIO可以大幅度提高程序的性能和并发处理能力,从而满足用户对高吞吐量和低延迟的要求。

    另外,Java AIO也可以用于开发高性能的网络服务器,例如聊天室服务器、在线游戏服务器等。由于AIO支持异步读取输入流和输出流,因此可以同时处理多个客户端请求,有效地提高了服务器的并发处理能力。

    总结

    Java AIO作为一种高性能、高并发的IO模型,具备很多优点,但也存在着一些缺点,如对小负载的连接,AIO的开销可能会导致性能下降。因此,在实际应用中,需要权衡各种因素,根据实际需求进行评估和选择。

    5、相关面试题

    1、什么是Java IO和NIO?

    Java IO(Input/Output)是Java中传统的输入输出操作,使用字节流和字符流进行数据传输。
    Java NIO(New Input/Output)是Java 1.4引入的新的输入输出API,它更加高效地处理数据。

    2、什么是阻塞和非阻塞IO?

    阻塞IO(Blocking IO)在进行IO操作时会一直等待,直到IO完成,期间无法进行其他操作。
    非阻塞IO(Non-blocking IO)在进行IO操作时不会一直等待,而是立即返回结果,如果IO还没有完全完成,则可以继续做其他事情。

    3、什么是缓冲区?有哪些类型的缓冲区?

    缓冲区是一个用于存储数据的数组,在进行IO操作时需要通过缓冲区来进行读写数据。
    Java的缓冲区分为字节缓冲区(ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer等)和直接缓冲区(DirectByteBuffer、DirectCharBuffer、DirectShortBuffer等)。

    4、什么是通道(Channel)?

    通道是NIO中用于进行数据传输的对象,它可以连接到源或目标节点,用于读取和写入数据。

    5、什么是选择器(Selector)?

    选择器是NIO中的一个对象,它可以通过轮询注册在其上的通道来检查它们是否有事件发生(如可读、可写等),从而避免了阻塞式IO中需要等待IO完成的问题。

    6、Java IO和NIO之间有什么区别?

    Java IO基于流的方式进行数据传输,而NIO基于缓冲区和通道进行数据传输。
    Java IO是阻塞式的,而NIO可以采用阻塞或非阻塞模式。
    Java IO对线程使用较多,每个IO操作都需要创建一个线程,而NIO可以使用单个线程处理多个IO操作。

    7、什么是文件通道(FileChannel)?

    文件通道是NIO中用于读取和写入文件的通道,它支持随机访问和内存映射文件等高级功能。

    8、Java IO和NIO哪个更快?

    在大量小数据量的情况下,Java IO可能更快,因为它可以通过缓冲区一次性读取所有数据。
    在大量大块数据的情况下,NIO可能更快,因为它可以使用零拷贝技术直接将数据从磁盘读入内存,减少了数据复制的开销。

    标签: java

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