开发必学,io&nio

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作为一个程序开发人员,不可避免的要与io打交道,通常我们也都会在简历栏目上写上熟悉or了解io,那么你是否真的了解io与nio的区别呢?【划重点:面试官常问点】

首先,在详细描述io与nio的区别之前我们要先意识到

所有的系统I/O都分为两个阶段:等待就绪和操作。并且等待就绪的阻塞是不使用CPU的,是在“空等”;

而真正的读写操作的阻塞是使用CPU的,真正在"干活",也意味着会消耗cpu资源。

为了让大家有个更加直观的感受,这里先抛出基于io和基于nio实现的例子。

io实现

package test;import java.io.IOException;import java.io.InputStream;import java.net.ServerSocket;import java.net.Socket;public class IOServer {    public static void main(String[] args) throws Exception {        init();    }    private static void init() throws IOException {        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8000);        new Thread(() -> {            while (true) {                // 阻塞点,获取新的连接                Socket socket = null;                try {                    socket = serverSocket.accept();                } catch (IOException e) {                    e.printStackTrace();                }                // 创建线程点,给每一个新的连接都创建一个线程                Socket finalSocket = socket;                new Thread(() -> {                    int len;                    byte[] data = new byte[1024];                    InputStream inputStream = null;                    try {                        inputStream = finalSocket.getInputStream();                        // 面向流,按字节流方式读取数据                        while ((len = inputStream.read(data)) != -1) {                            System.out.println(new String(data, 0, len));                        }                    } catch (IOException e) {                        e.printStackTrace();                    }                }).start();            }        }).start();    }}

可以从上面的例子看出Server 端首先创建了一个serverSocket来监听 8000 端口,然后创建一个线程,线程里面死循环不断调用阻塞方法 serversocket.accept();获取新的客户端连接,当获取到新的连接之后,给每条连接创建一个新的线程,这个线程负责从该连接中读取数据然后读取数据是以字节流的方式。

这里的弊端是极其明显的,如

  • 线程资源受限:上面每个客户端都会构建一个线程去做读取操作,而线程是操作系统中非常宝贵的资源,同一时刻有大量的线程处于阻塞状态是非常严重的资源浪费,操作系统耗不起。

  • 线程切换效率低下:线程爆炸之后带来的副作用便是操作系统频繁进行线程切换,应用性能急剧下降。

nio实现

package test;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.charset.Charset;import java.util.Iterator;import java.util.Set;public class NIOServer {    public static void main(String[] args) throws IOException {        init();    }    private static void init() throws IOException {        // 构建Selector        Selector serverSelector = Selector.open();        Selector clientSelector = Selector.open();        // 开启一个线程处理客户端的连接        new Thread(() -> {            try {                // 此处对应IO编程中服务端启动                ServerSocketChannel listenerChannel = ServerSocketChannel.open();                listenerChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8000));                listenerChannel.configureBlocking(false);                listenerChannel.register(serverSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);                while (true) {                    // 使用Selector来监测是否有新的连接,这里的1指的是阻塞的时间为 1ms                    if (serverSelector.select(1) > 0) {                        Set<SelectionKey> set = serverSelector.selectedKeys();                        Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();                        while (keyIterator.hasNext()) {                            SelectionKey key = keyIterator.next();                            if (key.isAcceptable()) {                                try {                                    // 同io不同的地方,每来一个新连接,没有再创建一个线程,而是直接注册到clientSelector                                    SocketChannel clientChannel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();                                    clientChannel.configureBlocking(false);                                    clientChannel.register(clientSelector, SelectionKey.OP_READ);                                } finally {                                    keyIterator.remove();                                }                            }                        }                    }                }            } catch (IOException ignored) {            }        }).start();        // 开启一个线程处理多个客户端线程的数据读取        new Thread(() -> {            try {                while (true) {                    // 轮询是否有哪些连接有数据可读,这里的1指的是阻塞的时间为 1ms                    if (clientSelector.select(1) > 0) {                        Set<SelectionKey> set = clientSelector.selectedKeys();                        Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();                        while (keyIterator.hasNext()) {                            SelectionKey key = keyIterator.next();                            if (key.isReadable()) {                                try {                                    SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();                                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);                                    // 同io不同的地方,面向 Buffer                                    clientChannel.read(byteBuffer);                                    byteBuffer.flip();                                    System.out.println(Charset.defaultCharset().newDecoder().decode(byteBuffer)                                            .toString());                                } finally {                                    keyIterator.remove();                                    key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);                                }                            }                        }                    }                }            } catch (IOException ignored) {            }        }).start();    }}

可以通过上面代码看出,

NIO 实现给出了两个线程,每个线程都绑定一个轮询器 selector ,如serverSelector负责轮询是否有新的连接,而 clientSelector负责轮询判断客户端的连接是否有数据可读,和io实现的区别点有:

  • 在服务端监测到新的连接之后,不会很sb的创建一个新的线程,而是直接将新连接绑定到clientSelector上,这样就不会消耗那么多线程资源了。

  • clientSelector则会进行判断如果在某一时刻有多条连接有数据可读,那么通过  clientSelector.select(1)方法可以轮询出来,进而处理客户端数据。

  • 数据的读写面向 Buffer。

因此我们可以得出结论:io是面向流的阻塞io,而nio是面向缓冲区的非阻塞io

所谓的阻塞io和非阻塞io:

  • 阻塞io意味着当线程调用read()或write()时,该线程将会被阻塞,直到有一些数据要读取,或者数据被完全写入。而在此期间,被阻塞的线程将无法执行任何其他操作。

  • 非阻塞io指的是允许线程请求从通道读取数据,如果通道没有数据可以读取的时候,线程可以继续使用其他内容,而不是在数据可供读取之前保持阻塞状态。

所谓的面向流和面向缓冲区:

  • 面向流的Java IO意味着可以从流中一次读取一个或多个字节,它们不会缓存在任何地方。此外,我们无法在流中的数据中前后移动。如果需要在从流中读取的数据中进行前后移动,则需要先将其缓存在缓冲区中。

  • 面向缓冲区的Java-NIO则是将数据读入缓冲区。我们可以根据需要在缓冲区中进行前后移动。这可以让我们在处理过程中更具灵活性。但是,我们还需要检查缓冲区是否包含完整处理所需的所有数据。当然了,还需要确保在将更多数据读入缓冲区时,不会出现bug,比如覆盖了尚未处理的缓冲区中的数据。