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Java IO 与 NIO：高效的输入输出操作探究

文章来源：infoq程序那些事

引言

输入输出（IO）是任何编程语言中的核心概念，而在 Java 中，IO 操作更是应用程序成功运行的基石。随着计算机系统变得越来越复杂，对 IO 的要求也日益增加。在本文中，我们将探讨 Java IO 和非阻塞 IO（NIO）的重要性以及如何在 Java 中实现高效的输入输出操作。

传统 IO（阻塞 IO）

传统 IO 是大多数开发人员熟悉的 IO 模型，其中主要涉及 InputStream 和 OutputStream。通过传统 IO，您可以轻松地进行文件读写和网络通信。让我们看一下传统 IO 的一个示例：

代码语言：javascript
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import java.io.*;public class TraditionalIOExample {    public static void main(String[] args) {        try {            // 打开文件            InputStream input = new FileInputStream("example.txt");            OutputStream output = new FileOutputStream("output.txt");
            // 读取和写入数据            int data;            while ((data = input.read()) != -1) {                output.write(data);            }
            // 关闭文件            input.close();            output.close();        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

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传统 IO 简单易用，但在某些情况下，它可能会阻塞程序的执行，特别是在处理大量并发请求时。

Java NIO 简介

Java NIO（New I/O）引入了新的 IO 模型，主要由通道（Channels）和缓冲区（Buffers）组成。NIO 提供了非阻塞和多路复用的特性，使其成为处理大量并发连接的理想选择。让我们了解一下 NIO 的核心概念。

NIO 通道与缓冲区

NIO 中，通道是数据传输的管道，而缓冲区则是数据的容器。通过通道和缓冲区，您可以实现高效的文件和网络操作。下面是一个简单的 NIO 示例：

代码语言：javascript
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import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.FileChannel;import java.io.RandomAccessFile;public class NIOExample {    public static void main(String[] args) {        try {            RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("example.txt", "r");            FileChannel channel = file.getChannel();            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            while (channel.read(buffer) != -1) {                buffer.flip();  // 切换为读模式                while (buffer.hasRemaining()) {                    System.out.print((char) buffer.get());                }                buffer.clear();  // 清空缓冲区，切换为写模式            }
            channel.close();            file.close();        } catch (Exception e) {            e.printStackTrace();        }    }}

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NIO 的通道和缓冲区模型允许您更灵活地管理数据，以及处理大规模数据传输。

选择 IO 类型的考虑

在选择传统 IO 或 NIO 时，需要考虑性能需求、复杂性和应用场景。传统 IO 简单易用，适用于大多数情况。而 NIO 更适用于需要处理大量并发连接的高性能应用，如网络服务器和数据传输。

NIO 的非阻塞特性

NIO 的非阻塞特性主要通过选择器（Selector）和通道的非阻塞模式实现。这允许程序同时管理多个通道，而不必等待每个通道的数据可用。以下是一个 NIO 非阻塞 IO 的示例：

代码语言：javascript
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import java.nio.channels.Selector;import java.nio.channels.ServerSocketChannel;import java.nio.channels.SocketChannel;public class NIOSelectorExample {    public static void main(String[] args) {        try {            Selector selector = Selector.open();            ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();            serverSocket.configureBlocking(false);            serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {                int readyChannels = selector.select();                if (readyChannels == 0) continue;
                Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();                Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();                while (keyIterator.hasNext()) {                    SelectionKey key = keyIterator.next();                    if (key.isAcceptable()) {                        // 处理连接                    } else if (key.isReadable()) {                        // 处理读取                    }                    keyIterator.remove();                }            }        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

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NIO 的非阻塞特性允许程序同时处理多个通道，从而提高了应用程序的响应性。

IO 和 NIO 的性能对比

性能对比是选择 IO 类型的关键因素之一。传统 IO 在处理少量并发请求时可能表现良好，但在高并发情况下可能出现性能瓶颈。NIO 通过非阻塞和多路复用等特性提供更好的性能。性能测试和案例研究可以帮助开发人员了解哪种 IO 类型适合他们的应用。

IO（传统 IO）和 NIO（非阻塞 IO）在性能方面存在显著差异，尤其在处理大量并发连接时。以下是一个具体的代码和实例，用于比较 IO 和 NIO 的性能。

性能测试目标： 我们将模拟一个简单的 HTTP 服务器，它将响应客户端请求并返回一个固定的响应（"Hello, World!"）。我们将使用 IO 和 NIO 两种不同的方式实现此服务器，然后进行性能测试。

IO 实现：

代码语言：javascript
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import java.io.*;import java.net.ServerSocket;import java.net.Socket;
public class IoHttpServer {    public static void main(String[] args) {        try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080)) {            while (true) {                Socket clientSocket = serverSocket.accept();                handleRequest(clientSocket);            }        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }
    private static void handleRequest(Socket clientSocket) throws IOException {        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));        BufferedWriter out = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(clientSocket.getOutputStream()));        String request = in.readLine();        out.write("HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\nHello, World!\r\n");        out.flush();        clientSocket.close();    }}

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NIO 实现：

代码语言：javascript
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import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.*;import java.util.Iterator;import java.util.Set;
public class NioHttpServer {    public static void main(String[] args) {        try {            ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();            serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));            serverChannel.configureBlocking(false);
            Selector selector = Selector.open();            serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {                selector.select();                Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();                Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
                while (keyIterator.hasNext()) {                    SelectionKey key = keyIterator.next();                    keyIterator.remove();
                    if (key.isAcceptable()) {                        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();                        SocketChannel clientChannel = server.accept();                        clientChannel.configureBlocking(false);                        clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);                    } else if (key.isReadable()) {                        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);                        clientChannel.read(buffer);                        buffer.flip();                        byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];                        buffer.get(bytes);                        String request = new String(bytes);
                        String response = "HTTP/1.1 200 OK\r\n\r\nHello, World!\r\n";                        ByteBuffer responseBuffer = ByteBuffer.wrap(response.getBytes());                        clientChannel.write(responseBuffer);                        clientChannel.close();                    }                }            }        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

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性能测试： 我们将使用 Apache Benchmark 工具（ab）来测试这两个 HTTP 服务器的性能，模拟 1000 个并发请求，每个请求重复 1000 次。

代码语言：javascript
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ab -n 100000 -c 1000 http://localhost:8080/

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性能测试结果： 在这个简单的性能测试中，NIO 的实现通常会比传统 IO 的实现更具竞争力。由于 NIO 的非阻塞特性，它能够更好地处理大量并发请求，减少线程阻塞和上下文切换。

需要注意的是，性能测试结果受多个因素影响，包括硬件、操作系统和代码优化。因此，实际性能可能会因环境而异。然而，通常情况下，NIO 在高并发场景下表现更出色。

总之，通过上述性能测试，我们可以看到 NIO 相对于传统 IO 在处理大量并发请求时的性能表现更为出色。因此，在需要高性能和可伸缩性的应用中，NIO 通常是更好的选择。

实际应用场景

最后，我们将探讨一些实际应用场景，包括文件复制、HTTP 服务器和套接字通信。这些场景演示了如何有效地应用 IO 和 NIO 来满足特定需求。

当涉及到 Java 中的 IO 和 NIO 的实际应用时，我们可以探讨一些常见的使用场景和示例代码。以下是几个实际应用的示例：

1. 文件复制

文件复制是一个常见的 IO 任务，它可以使用传统 IO 和 NIO 来实现。以下是一个使用传统 IO 的文件复制示例：

代码语言：javascript
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import java.io.*;
public class FileCopyUsingIO {    public static void main(String[] args) {        try (InputStream inputStream = new FileInputStream("input.txt");             OutputStream outputStream = new FileOutputStream("output.txt")) {
            byte[] buffer = new byte[1024];            int bytesRead;            while ((bytesRead = inputStream.read(buffer)) != -1) {                outputStream.write(buffer, 0, bytesRead);            }        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

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这段代码使用 InputStream 和 OutputStream 进行文件复制。

以下是一个使用 NIO 的文件复制示例：

代码语言：javascript
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import java.io.IOException;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.FileChannel;import java.nio.file.Path;import java.nio.file.StandardOpenOption;import java.nio.file.StandardCopyOption;import java.nio.file.FileSystems;
public class FileCopyUsingNIO {    public static void main(String[] args) {        try {            Path source = FileSystems.getDefault().getPath("input.txt");            Path target = FileSystems.getDefault().getPath("output.txt");            FileChannel sourceChannel = FileChannel.open(source, StandardOpenOption.READ);            FileChannel targetChannel = FileChannel.open(target, StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.WRITE);
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);            int bytesRead;            while ((bytesRead = sourceChannel.read(buffer)) != -1) {                buffer.flip();                while (buffer.hasRemaining()) {                    targetChannel.write(buffer);                }                buffer.clear();            }
            sourceChannel.close();            targetChannel.close();        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

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这段代码使用 NIO 中的 FileChannel 和 ByteBuffer 来实现文件复制。

2. HTTP 服务器

创建一个简单的 HTTP 服务器也是一个常见的应用场景，可以使用 NIO 来处理多个并发连接。以下是一个使用 NIO 的简单 HTTP 服务器示例：

代码语言：javascript
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import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.ServerSocketChannel;import java.nio.channels.SocketChannel;
public class SimpleHttpServer {    public static void main(String[] args) {        try {            ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();            serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
            while (true) {                SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);                clientChannel.read(buffer);                buffer.flip();                // 处理HTTP请求                // ...
                clientChannel.write(buffer);                clientChannel.close();            }        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

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这段代码创建一个简单的 HTTP 服务器，使用 NIO 中的 ServerSocketChannel 和 SocketChannel 处理客户端请求。

3. 套接字通信

套接字通信是在网络编程中常见的应用，可以使用 NIO 来实现非阻塞的套接字通信。以下是一个使用 NIO 的简单套接字通信示例：

代码语言：javascript
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import java.io.IOException;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.SocketChannel;import java.net.InetSocketAddress;
public class SocketCommunication {    public static void main(String[] args) {        try {            SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);            String message = "Hello, Server!";            buffer.put(message.getBytes());            buffer.flip();            clientChannel.write(buffer);
            buffer.clear();            clientChannel.read(buffer);            buffer.flip();            // 处理从服务器接收的数据            // ...
            clientChannel.close();        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

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这段代码创建一个客户端套接字通信，使用 NIO 的 SocketChannel 来与服务器进行非阻塞通信。

这些示例代表了 Java 中 IO 和 NIO 的实际应用场景，从文件复制到 HTTP 服务器和套接字通信。这些示例演示了如何使用 Java 的 IO 和 NIO 来处理各种输入输出任务。

总结

通过本文，我们深入探讨了 Java 中的 IO 和 NIO，以及它们的应用。了解如何选择合适的 IO 类型和使用适当的工具，可以帮助开发人员实现高效的输入输出操作，提高应用程序的性能和可伸缩性。鼓励读者在实际开发中深入研究和应用 IO 和 NIO，以满足不同应用的需求。

发布于: 23 小时前阅读数: 1728

版权声明: 本文为 InfoQ 作者【程序那些事】的原创文章。

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  • 本文为 InfoQ 中文站特供稿件
  • 首发地址：https://www.infoq.cn/article/82eece134e72735de70d9a0a1
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