面試官：談談你對IO流和NIO的理解

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，另一套就是網絡編程NIO。

二、NIO和IO的主要區(qū)別

下表總結了Java IO和NIO之間的主要區(qū)別：

1、面向流與面向緩沖

Java IO和NIO之間第一個最大的區(qū)別是，IO是面向流的，NIO是面向緩沖區(qū)的。

Java IO面向流意味著每次從流中讀一個或多個字節(jié)，直至讀取所有字節(jié)，它們沒有被緩存在任何地方。此外，它不能前后移動流中的數據。如果需要前后移動從流中讀取的數據，需要先將它緩存到一個緩沖區(qū)。

Java NIO面向緩沖區(qū)的緩沖導向方法略有不同。數據讀取到一個它稍后處理的緩沖區(qū)，需要時可在緩沖區(qū)中前后移動。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沖區(qū)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沖區(qū)時，不要覆蓋緩沖區(qū)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干任何事情了。

Java NIO的非阻塞模式，使一個線程從某通道發(fā)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，就什么都不會獲取，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(xù)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的空閑時間用于在其它通道上執(zhí)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(jiān)視多個輸入通道，你可以注冊多個通道使用一個選擇器，然后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如何影響應用程序的設計

無論您選擇IO或NIO工具箱，可能會影響您應用程序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，但這并不意外，因為并不是僅從一個InputStream逐字節(jié)讀取，而是數據必須先讀入緩沖區(qū)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逐字節(jié)讀取數據。假設你正在處理一基于行的文本數據流，例如：

該文本行的流可以這樣處理：

???? 請注意處理狀態(tài)由程序執(zhí)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，該處理程序僅在有新數據讀入時運行，并知道每步的數據是什么。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）。下圖也說明了這條原則：

而一個NIO的實現會有所不同，下面是一個簡單的例子：

注意第二行，從通道讀取字節(jié)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沖區(qū)內。你所知道的是，該緩沖區(qū)包含一些字節(jié)，這使得處理有點困難。假設第一次 read(buffer)調用后，讀入緩沖區(qū)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，你怎么知道是否該緩沖區(qū)包含足夠的數據可以處理呢？好了，你不知道。發(fā)現的方法只能查看緩沖區(qū)中的數據。其結果是，在你知道所有數據都在緩沖區(qū)里之前，你必須檢查幾次緩沖區(qū)的數據。這不僅效率低下，而且可以使程序設計方案雜亂不堪。例如

bufferFull()方法必須跟蹤有多少數據讀入緩沖區(qū)，并返回真或假，這取決于緩沖區(qū)是否已滿。換句話說，如果緩沖區(qū)準備好被處理，那么表示緩沖區(qū)滿了。

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

如果緩沖區(qū)已滿，它可以被處理。如果它不滿，并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。但是許多情況下并非如此。

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（網絡連接或文件），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復雜。

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(fā)送少量的數據，例如聊天服務器，實現NIO的服務器可能是一個優(yōu)勢。同樣，如果你需要維持許多打開的連接到其他計算機上，如P2P網絡中，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(yōu)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(fā)送大量的數據，也許典型的IO服務器實現可能非常契合。下圖說明了一個典型的IO服務器設計：

Java IO:?一個典型的IO服務器設計- 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，對于 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 的字節(jié)輸入輸出操作，Reader 和 Writer 的字符輸入輸出操作）和字節(jié)字符的對稱性（InputStream 和 Reader 的字節(jié)字符輸入操作，OutputStream 和 Writer 的字節(jié)字符輸出操作）。此外，對于 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。

對于 IO 流涉及的裝飾者設計模式例子如下：

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

對于 IO 流涉及的適配器設計模式例子如下：

//把FileInputStream文件字節(jié)流適配成InputStreamReader字符流來操作文件字符串。

FileInputStream fileInput = new FileInputStream(file);

InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(fileInput);

而對于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(tài)的，要求裝飾對象和被裝飾對象實現同一個接口，裝飾對象持有被裝飾對象的實例（各種字符流間裝飾，各種字節(jié)流間裝飾）。適配器模式就是將某個類的接口轉換成我們期望的另一個接口表示，目的是消除由于接口不匹配所造成的類的兼容性問題（字符流與字節(jié)流間互相適配）。

2.?? 字節(jié)流與字符流有什么區(qū)別:

計算機中的一切最終都是以二進制字節(jié)形式存在的，對于我們經常操作的字符串，在寫入時其實都是先得到了其對應的字節(jié)，然后將字節(jié)寫入到輸出流，在讀取時其實都是先讀到的是字節(jié)，然后將字節(jié)直接使用或者轉換為字符給我們使用。由于對于字節(jié)和字符兩種操作的需求比較廣泛，所以 Java 專門提供了字符流與字節(jié)流相關IO類。對于程序運行的底層設備來說永遠都只接受字節(jié)數據，所以當我們往設備寫數據時無論是字節(jié)還是字符最終都是寫的字節(jié)流。字符流是字節(jié)流的包裝類，所以當我們將字符流向字節(jié)流轉換時要注意編碼問題（因為字符串轉成字節(jié)數組的實質是轉成該字符串的某種字節(jié)編碼）。字符流和字節(jié)流的使用非常相似，但是實際上字節(jié)流的操作不會經過緩沖區(qū)（內存）而是直接操作文本本身的，而字符流的操作會先經過緩沖區(qū)（內存）然后通過緩沖區(qū)再操作文件。

字符流和字節(jié)流的使用非常相似，但是實際上字節(jié)流的操作不會經過緩沖區(qū)（內存）而是直接操作文本本身的，而字符流的操作會先經過緩沖區(qū)（內存）然后通過緩沖區(qū)再操作文件。

3.??字節(jié)流和字符流哪個好，如何選擇？

緩大多數情況下使用字節(jié)流會更好，因為字節(jié)流是字符流的包裝，而大多數時候 IO 操作都是直接操作磁盤文件，所以這些流在傳輸時都是以字節(jié)的方式進行的（圖片等都是按字節(jié)存儲的）。

而如果對于操作需要通過 IO 在內存中頻繁處理字符串的情況使用字符流會好些，因為字符流具備緩沖區(qū)，提高了性能。

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