Java IO 和 NIO

井九

发布于 2024-10-12 10:44:40

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在 Java 编程中，输入输出（IO）是不可或缺的部分，随着技术的发展，Java 的 IO 系统也经历了显著的变化。本文将深入探讨 Java IO 和 NIO 的历史、优缺点以及适用场景。

1. Java IO 的历史

Java IO 包（java.io）自 Java 1.0 以来就存在，最初设计用于简单的数据输入和输出。Java IO 采用阻塞式模型，这意味着当一个线程进行 IO 操作时，线程会被阻塞，直到操作完成。这种设计虽然简单，但在高并发环境下可能导致性能瓶颈。

Java IO 的组成

Java IO 的主要组成部分分为两大类：

字节流：用于处理原始的二进制数据。
- 输入流：InputStream
- 输出流：OutputStream
字符流：用于处理字符数据（文本）。
- 输入流：Reader
- 输出流：Writer

示例代码

以下代码示例展示了如何使用 Java IO 进行文件复制操作：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;

public class FileCopy {
    public static void main(String[] args) {
        String sourcePath = "source.txt";
        String destPath = "dest.txt";

        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(sourcePath);
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream(destPath)) {
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int bytesRead;

            while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {
                fos.write(buffer, 0, bytesRead);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2. Java NIO 的引入

Java NIO（Non-blocking I/O）是在 Java 1.4 中引入的，目的是解决传统 IO 的一些局限性。NIO 支持非阻塞式和选择器模型，使得一个线程可以同时管理多个 IO 通道，从而显著提高了处理并发的能力。

Java NIO 的组成

NIO 的核心组件包括：

缓冲区（Buffer）：用于在内存中存储数据。
通道（Channel）：与 IO 设备（文件、网络等）的连接，可以进行读写操作。
选择器（Selector）：用于管理多个通道的事件，允许单个线程处理多个通道。

示例代码

以下是各个核心组件的示例代码：

1. 缓冲区（Buffer）

import java.nio.ByteBuffer;

public class BufferExample {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        buffer.put((byte) 1);
        buffer.put((byte) 2);
        buffer.flip(); // 切换为读取模式

        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.println(buffer.get());
        }
    }
}

2. 通道（Channel）

import java.io.IOException;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.file.StandardOpenOption;
import java.nio.file.Paths;

public class ChannelExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("example.txt"), StandardOpenOption.READ)) {
            System.out.println("文件大小: " + channel.size() + " 字节");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3. 选择器（Selector）

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;

public class SelectorExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Selector selector = Selector.open();
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            serverSocketChannel.register(selector, serverSocketChannel.validOps());
            System.out.println("服务器已启动，等待连接...");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3. IO 和 NIO 的优缺点比较

特性	Java IO	Java NIO	常用开源组件
模型	阻塞式	非阻塞式	Netty（NIO）
并发能力	低	高	Spring WebFlux（NIO）
API复杂性	简单	复杂	Apache MINA（NIO）
学习曲线	平缓	陡峭
适用场景	小型项目，简单任务	高并发，大流量应用

4. 适用场景

Java IO：
- 适用于小型项目，或对性能要求不高的场景，例如简单的文件读写操作。
- 适合一次性任务，比如读取配置文件、简单的数据处理等。
Java NIO：
- 适用于高并发、大流量的应用场景，例如网络服务器、大型数据处理、文件传输等。
- 特别适合需要长时间等待的 IO 操作，或需要同时处理多个任务的场景。