Java輸入輸出IO、NIO與AIO比較分析-java教程-PHP中文網

1、Java I/O發展史

Java輸入輸出IO、NIO與AIO比較分析

Java IO（Input/Output）是Java語言中用於讀寫資料的API，它提供了一系列類別和接口，用於讀取和寫入各種類型的資料。以下是Java IO發展史的簡介：

JDK 1.0（1996年）最初的Java IO只支援位元組流（InputStream、OutputStream）和字元流（Reader、Writer）兩種，基於阻塞式IO（BIO）模型。
JDK 1.1（1997） JDK 1.1引進了NIO（New IO）包，支援了快取區（Buffer）、通道（Channel）等概念，提供了更有效率的IO操作方式，可以實現非阻塞式IO（NIO）模式。
JDK 1.4（2002） JDK 1.4增加了NIO.2 API，也稱為Java NIO with buffers，提供了更強大的檔案處理功能和更有效率的IO操作。
JDK 7（2011年） JDK 7引進了NIO.2的改良版——NIO.2 with Completion Ports，也稱為AIO（Asynchronous IO），支援非同步IO方式，在處理大量並發請求時具有優勢。

以下是三者之間的區別：

Java輸入輸出IO、NIO與AIO比較分析

阻塞IO （BIO） BIO是Java最初的IO模型，它採用阻塞方式進行資料讀寫操作。即當一個執行緒在執行IO操作時，若沒有資料可讀，則該執行緒會一直阻塞等待，直到有資料可讀或逾時。 BIO適合處理連線數比較小且固定的場景，但並發能力不足。
非阻塞IO（NIO） NIO是Java 1.4引入的新的IO模型，它採用了多路復用器（Selector）機制，透過少量執行緒同時管理多個通道，實現了單線程同時處理多個請求的效果。 NIO具有高並發性、高吞吐量和更高的可靠性，適合處理連接數多且連接時間較短的場景。
非同步IO（AIO） AIO是Java 1.7開始支援的IO模型，它採用事件驅動的方式進行資料讀寫操作，當資料準備好後，在回呼函數中進行處理。與NIO不同，AIO的讀寫操作是非同步的，不需要透過輪詢方式檢查資料是否準備好。 AIO適合處理連線數多、連線時間長且有較多讀寫操作的場景。

2、Java IO

2.1 簡介

在Java程式設計中，IO（Input/Output）操作是非常常見的操作，它涉及到文件讀寫、網路通訊等方面。 Java提供了各種類別來支援這些操作。本文將從IO的基礎知識講起，逐步深入，介紹Java IO的各個面向。

2.2 基礎概念

2.2.1 輸入流與輸出流

在Java中，輸入流（InputStream）和輸出流（OutputStream）是兩個重要的抽象類。輸入流表示輸入資料的來源，可以是檔案、網路連接、管道等；輸出流表示輸出資料的去向，可以是檔案、網路連接、管道等。輸入流和輸出流的使用方式是相似的，都是透過建立流對象，然後使用對應的方法介面進行讀寫操作。

2.2.2 位元組流和字元流

Java中的IO操作還可以分為位元組流和字元流兩種。位元組流以位元組（byte）為單位進行操作，適用於處理二進位數據，例如圖像、音訊等；而字元流以字元（char）為單位進行操作，適用於處理文字數據，例如文字檔案等。在 Java中，位元組流主要由InputStream和OutputStream類別以及其子類別實現，而字元流主要由Reader和Writer類別以及其子類別實現。

2.2.3 緩衝流

在進行IO操作時，我們可能需要經常進行讀寫操作，而頻繁的讀寫可能會導致效能問題。為了解決這個問題，Java提供了緩衝流（Buffered Stream）來提高IO操作的效率。緩衝流可以透過內部快取區域來減少對底層資源的存取次數，從而提高資料讀寫的效率。

2.3 Java IO的使用

2.3.1 檔案讀寫

Java中的檔案讀寫是開發中最常見的操作之一。以下是一個讀取檔案內容並輸出的範例：

    try (FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt");
         InputStreamReader isr = new InputStreamReader(fis);
         BufferedReader br = new BufferedReader(isr)) {
        String line;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            System.out.println(line);
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }

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在這個範例中，我們使用了FileInputStream、InputStreamReader和BufferedReader等類別來完成檔案的讀取。首先，我們透過FileInputStream類別建立了一個輸入流對象，並指定了要讀取的檔案名稱；然後透過InputStreamReader將位元組流轉換為字元流，再透過BufferedReader實作以行讀取文字內容。

類似地，在Java中進行檔案寫入操作也非常簡單，以下是寫入檔案的範例：

try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("test.txt");
     OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(fos);
     BufferedWriter bw = new BufferedWriter(osw)) {
    bw.write("Hello, world!");
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

登入後複製

在这个示例中，我们使用了FileOutputStream、OutputStreamWriter和BufferedWriter等类来完成文件的写入。首先，我们通过FileOutputStream类创建了一个输出流对象，并指定了要写入的文件名称；然后通过OutputStreamWriter将字节流转换为字符流，再通过BufferedWriter实现按行写入文本内容。

3、Java NIO

3.1 简介

Java NIO（New IO）是Java SE 1.4引入的一个新的IO API，它提供了比传统IO更高效、更灵活的IO操作。与传统IO相比，Java NIO的优势在于它支持非阻塞IO和选择器（Selector）等特性，能够更好地支持高并发、高吞吐量的应用场景。本文将从NIO的基础知识讲起，逐步深入，介绍Java NIO的各个方面。

3.2 核心概念

3.2.1 选择器（Selector）

选择器是Java NIO中的一个重要组件，它可以用于同时监控多个通道的读写事件，并在有事件发生时立即做出响应。选择器可以实现单线程监听多个通道的效果，从而提高系统吞吐量和运行效率。

3.2.2 通道（Channel）

通道是一个用于读写数据的对象，类似于Java IO中的流（Stream）。与流不同的是，通道可以进行非阻塞式的读写操作，并且可以同时进行读写操作。通道分为两种类型：FileChannel和SocketChannel，分别用于文件和网络

通信。

3.2.3 缓冲区（Buffer）

在Java NIO中，所有数据都是通过缓冲区对象进行传输的。缓冲区是一段连续的内存块，可以保存需要读写的数据。缓冲区对象包含了一些状态变量，例如容量（capacity）、限制（limit）、位置（position）等，用于控制数据的读写。

3.3 Java NIO的使用

3.3.1 缓冲区操作

Java NIO中的缓冲区操作主要包括数据读取和数据写入两种操作。下面是一个简单的缓冲区读取示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
try (FileChannel channel = new FileInputStream("test.txt").getChannel()) {
    int bytesRead = channel.read(buffer);
    while (bytesRead != -1) {
        buffer.flip();
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get());
        }
        buffer.clear();
        bytesRead = channel.read(buffer);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

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在这个示例中，我们使用了FileChannel类和ByteBuffer类来完成文件的读取。首先，我们通过FileInputStream类创建了一个输入流对象，然后通过getChannel()方法获取到对应的通道对象；接着，我们创建了一个容量为1024字节的ByteBuffer对象，并调用read()方法从通道中读取数据，将读取到的数据保存在缓冲区中。读取完成后，我们通过flip()方法将缓冲区切换为读模式，并使用hasRemaining()和get()方法逐个读取数据；最后通过clear()方法清空缓冲区，准备进行下一轮读取。

Java NIO中的缓冲区写操作也非常类似，下面是一个简单的缓冲区写入示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, world!".getBytes());
try (FileChannel channel = new FileOutputStream("test.txt").getChannel()) {
    channel.write(buffer);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

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在这个示例中，我们使用了FileChannel类和ByteBuffer类来完成文件的写入。首先，我们通过ByteBuffer.wrap()方法将字符串转换为ByteBuffer对象；然后，我们通过FileOutputStream类创建了一个输出流对象，再通过getChannel()方法获取到对应的通道对象；接着，我们调用write()方法将缓冲区中的数据写入通道中，完成文件写入操作。

3.3.2 通道操作

Java NIO中的通道（Channel）是用于进行数据传输的对象。通道可以连接到源或目标节点，用于读取和写入数据。与传统的Java IO不同，NIO中的通道可以实现非阻塞式地读写数据，从而提高了应用程序的性能和并发处理能力。

要使用通道进行读写操作，首先需要打开通道。Java NIO中有多种类型的通道，每种通道都提供了自己的打开方式。例如，要打开一个文件通道，可以通过FileInputStream或FileOutputStream对象获取对应的FileChannel对象，如下所示：

    FileChannel channel = new FileInputStream("file.txt").getChannel();

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读取数据一旦打开了通道，就可以开始读取数据。在NIO中，数据通过缓冲区进行传输。要读取数据，需要将数据存储在缓冲区中，然后从缓冲区中读取数据。以下是一个简单的读取操作示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 从通道中读取数据
int bytesRead = channel.read(buffer);
while (bytesRead != -1) {
    // 切换为读模式
    buffer.flip();
    // 读取缓冲区中的数据
    while (buffer.hasRemaining()) {
        System.out.print((char) buffer.get());
    }
    // 清空缓冲区
    buffer.clear();
    bytesRead = channel.read(buffer);
}

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在这个示例中，我们首先创建了一个容量为1024字节的ByteBuffer对象，并使用channel.read()方法从文件通道中读取数据。读取到数据后，我们将ByteBuffer切换为读模式，再使用hasRemaining()和get()方法逐个读取缓冲区中的数据。

写入数据要写入数据，也需要将数据存储在缓冲区中，然后将缓冲区中的数据写入到通道中。以下是一个简单的写入操作示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, world!".getBytes());
// 将数据写入通道
channel.write(buffer);

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在这个示例中，我们首先使用ByteBuffer.wrap()方法将字符串转换为ByteBuffer对象，在通过channel.write()方法将ByteBuffer中的数据写入到通道中。

4、Java AIO

Java AIO（Asynchronous IO）是一种基于事件和回调的IO模型，相比Java BIO（Blocking IO）和Java NIO（Non-blocking IO），它具有更高的并发性、更高的吞吐量和更高的可靠性。本文将介绍Java AIO的原理、特点和应用。

4.1 Java AIO的原理

Java AIO採用非同步IO方式進行資料讀寫操作，與Java NIO不同，它不需要透過輪詢方式去檢查資料是否準備好，而是由作業系統完成。當資料準備好後，作業系統會通知應用程序，並在回調函數中進行處理。

AIO使用了三個核心元件：AsynchronousChannel、CompletionHandler和
AsynchronousServerSocketChannel。其中，AsynchronousChannel是讀取/寫入資料的通道，CompletionHandler是I/O操作完成時的回呼方法，AsynchronousServerSocketChannel是非同步伺服器端套接字通道，用於監聽客戶端的連線要求。

當資料準備好後，作業系統將通知應用程序，並在回調函數中執行I/O操作完成時的回調方法。這樣就避免了線程阻塞等待I/O操作完成的情況，從而提高了程式的效率和並發處理能力。

4.2 Java AIO的特性

高並發性：Java AIO採用非同步IO方式進行資料讀寫操作，可實現高並發處理能力。
高吞吐量：Java AIO支援非同步讀取和寫入操作，可同時處理多個請求，從而提高了資料讀取和寫入的效率和吞吐量。
高可靠性：由於Java AIO採用非同步IO方式進行資料讀寫操作，可以避免執行緒阻塞等待I/O操作完成的情況，進而提高程式的可靠性。
簡單易用：Java AIO提供了簡單易用的API，不需要寫複雜的程式碼就可以實現非同步IO操作。

4.3 Java AIO的應用

Java AIO適用於需要大量並發連接，但每個連接卻很少有資料互動的場景，例如基於訊息的應用程式、遠端過程呼叫（RPC）等。在這些應用場景中，AIO可以大幅提高程式的效能和並發處理能力，從而滿足使用者對高吞吐量和低延遲的要求。

另外，Java AIO也可以用來開發高效能的網頁伺服器，例如聊天室伺服器、線上遊戲伺服器等。由於AIO支援非同步讀取輸入流和輸出流，因此可以同時處理多個客戶端請求，有效地提高了伺服器的並發處理能力。

總結

Java AIO作為一種高效能、高並發的IO模型，具備許多優點，但也存在著一些缺點，如對小負載的連接，AIO的開銷可能會導致性能下降。因此，在實際應用中，需要權衡各種因素，根據實際需求進行評估和選擇。

5、相關面試題

1、什麼是Java IO和NIO？

Java IO（Input/Output）是Java中傳統的輸入輸出操作，使用位元組流和字元流進行資料傳輸。
Java NIO（New Input/Output）是Java 1.4引入的新的輸入輸出API，它更有效率地處理資料。

2、什麼是阻塞和非阻塞IO？

阻塞IO（Blocking IO）在進行IO操作時會一直等待，直到IO完成，期間無法進行其他操作。
非阻塞IO（Non-blocking IO）在進行IO操作時不會一直等待，而是立即返回結果，如果IO還沒有完全完成，則可以繼續做其他事情。

3、什麼是緩衝區？有哪些類型的緩衝區？

緩衝區是一個用於儲存資料的數組，在進行IO操作時需要透過緩衝區來進行讀寫資料。
Java的緩衝區區分為位元組緩衝區（ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer等）和直接緩衝區（DirectByteBuffer、DirectCharBuffer、DirectShortBuffer等）。

4、什麼是通道（Channel）？

通道是NIO中用於進行資料傳輸的對象，它可以連接到來源或目標節點，用於讀取和寫入資料。

5、什麼是選擇器（Selector）？

選擇器是NIO中的一個對象，它可以透過輪詢註冊在其上的通道來檢查它們是否有事件發生（如可讀、可寫等），從而避免了阻塞式IO中需要等待IO完成的問題。

6、Java IO和NIO之間有什麼區別？

Java IO基於流的方式進行資料傳輸，而NIO則是基於緩衝區和通道進行資料傳輸。
Java IO是阻塞式的，而NIO可以採用阻塞或非阻塞模式。
Java IO對線程使用較多，每個IO操作都需要建立一個線程，而NIO可以使用單一線程處理多個IO操作。

7、什麼是檔案通道（FileChannel）？

檔案通道是NIO中用於讀取和寫入檔案的通道，它支援隨機存取和記憶體映射檔案等高級功能。

8、Java IO和NIO哪個比較快？

在大量小資料量的情況下，Java IO可能會更快，因為它可以透過緩衝區一次讀取所有資料。
在大量大塊資料的情況下，NIO可能更快，因為它可以使用零拷貝技術直接將資料從磁碟讀入內存，減少了資料複製的開銷。

以上是Java輸入輸出IO、NIO與AIO比較分析的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！