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的主要區別

下表總結了Java IO和NIO之間的主要區別：

1、面向流與面向緩沖

Java IO和NIO之間第一個最大的區別是，IO是面向流的，NIO是面向緩沖區的。

Java IO面向流意味著每次從流中讀一個或多個字節，直至讀取所有字節，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。

Java NIO面向緩沖區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，需要時可在緩沖區中前后移動。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時，不要覆蓋緩沖區里尚未處理的數據。

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逐字節讀取，而是數據必須先讀入緩沖區再處理。

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：

???? 請注意處理狀態由程序執行多久決定。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內。你所知道的是，該緩沖區包含一些字節，這使得處理有點困難。假設第一次 read(buffer)調用后，讀入緩沖區的數據只有半行，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包含足夠的數據可以處理呢？好了，你不知道。發現的方法只能查看緩沖區中的數據。其結果是，在你知道所有數據都在緩沖區里之前，你必須檢查幾次緩沖區的數據。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，并返回真或假，這取決于緩沖區是否已滿。換句話說，如果緩沖區準備好被處理，那么表示緩沖區滿了。

bufferFull()方法掃描緩沖區，但必須保持在bufferFull（）方法被調用之前狀態相同。如果沒有，下一個讀入緩沖區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 的字節輸入輸出操作，Reader 和 Writer 的字符輸入輸出操作）和字節字符的對稱性（InputStream 和 Reader 的字節字符輸入操作，OutputStream 和 Writer 的字節字符輸出操作）。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（字符流與字節流間互相適配）。

2.?? 字節流與字符流有什么區別:

計算機中的一切最終都是以二進制字節形式存在的，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，然后將字節寫入到輸出流，在讀取時其實都是先讀到的是字節，然后將字節直接使用或者轉換為字符給我們使用。由于對于字節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數據，所以當我們往設備寫數據時無論是字節還是字符最終都是寫的字節流。字符流是字節流的包裝類，所以當我們將字符流向字節流轉換時要注意編碼問題（因為字符串轉成字節數組的實質是轉成該字符串的某種字節編碼）。字符流和字節流的使用非常相似，但是實際上字節流的操作不會經過緩沖區（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（內存）然后通過緩沖區再操作文件。

字符流和字節流的使用非常相似，但是實際上字節流的操作不會經過緩沖區（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（內存）然后通過緩沖區再操作文件。

3.??字節流和字符流哪個好，如何選擇？

緩大多數情況下使用字節流會更好，因為字節流是字符流的包裝，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的方式進行的（圖片等都是按字節存儲的）。

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，提高了性能。

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