Java輸入輸出IO、NIO和AIO對比分析

這篇文章主要講解了“Java輸入輸出IO、NIO和AIO對比分析”，文中的講解內容簡單清晰，易于學習與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學習“Java輸入輸出IO、NIO和AIO對比分析”吧！

1、Java I/O發展史    

Java IO（Input/Output）是Java語言中用于讀寫數據的API，它提供了一系列類和接口，用于讀取和寫入各種類型的數據。下面是Java IO發展史的簡要介紹：

• JDK 1.0（1996年） 最初的Java IO只支持字節流（InputStream、OutputStream）和字符流（Reader、Writer）兩種，基于阻塞式IO（BIO）模型。

• JDK 1.1（1997年） JDK 1.1引入了NIO（New IO）包，支持了緩存區（Buffer）、通道（Channel）等概念，提供了更高效的IO操作方式，可以實現非阻塞式IO（NIO）模式。

• JDK 1.4（2002年） JDK 1.4增加了NIO.2 API，也稱為Java NIO with buffers，提供了更   強大的文件處理功能和更高效的IO操作。

• JDK 7（2011年） JDK 7引入了NIO.2的改進版——NIO.2 with Completion Ports，也稱為AIO（Asynchronous IO），支持異步IO方式，在處理大量并發請求時具有優勢。

以下是三者之間的區別：

• 阻塞IO（BIO） BIO是Java最初的IO模型，它采用阻塞方式進行數據讀寫操作。即當一個線程在執行IO操作時，若沒有數據可讀，則該線程會一直阻塞等待，直到有數據可讀或者超時。BIO適合處理連接數比較小且固定的場景，但并發能力不足。

• 非阻塞IO（NIO） NIO是Java 1.4引入的新的IO模型，它采用了多路復用器（Selector）機制，通過少量線程同時管理多個通道，實現了單線程同時處理多個請求的效果。NIO具有高并發性、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。

• 異步IO（AIO） AIO是Java 1.7開始支持的IO模型，它采用事件驅動的方式進行數據讀寫操作，當數據準備好后，在回調函數中進行處理。與NIO不同，AIO的讀寫操作是異步的，不需要通過輪詢方式去檢查數據是否準備好。AIO適合處理連接數多、連接時間長且有較多讀寫操作的場景。

2、Java IO

2.1 簡介

在Java編程中，IO（Input/Output）操作是非常常見的操作，它涉及到文件讀寫、網絡通信等方面。Java提供了各種類來支持這些操作。本文將從IO的基礎知識講起，逐步深入，介紹Java IO的各個方面。

2.2 基礎概念

2.2.1 輸入流和輸出流

在Java中，輸入流（InputStream）和輸出流（OutputStream）是兩個重要的抽象類。輸入流表示輸入數據的來源，可以是文件、網絡連接、管道等；輸出流表示輸出數據的去向，可以是文件、網絡連接、管道等。輸入流和輸出流的使用方式是相似的，都是通過創建流對象，然后使用相應的方法接口進行讀寫操作。

2.2.2 字節流和字符流

Java中的IO操作還可以分為字節流和字符流兩種。字節流以字節（byte）為單位進行操作，適用于處理二進制數據，例如圖像、音頻等；而字符流以字符（char）為單位進行操作，適用于處理文本數據，例如文本文件等。Java中，字節流主要由InputStream和OutputStream類以及其子類實現，而字符流主要由Reader和Writer類以及其子類實現。

2.2.3 緩沖流

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性能問題。為了解決這個問題，Java提供了緩沖流（Buffered Stream）來提高IO操作的效率。緩沖流可以通過內部緩存區域來減少對底層資源的訪問次數，從而提高數據讀寫的效率。

2.3 Java IO的使用

2.3.1 文件讀寫

Java中的文件讀寫是開發中最常見的操作之一。下面是一個讀取文件內容并輸出的示例：

    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();
    }

在這個示例中，我們使用了FileInputStream、InputStreamReader和BufferedReader等類來完成文件的讀取。首先，我們通過FileInputStream類創建了一個輸入流對象，并指定了要讀取的文件名稱；然后通過InputStreamReader將字節流轉換為字符流，再通過BufferedReader實現按行讀取文本內容。

類似地，在Java中進行文件寫操作也非常簡單，下面是一個寫入文件的示例：

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();
}

在這個示例中，我們使用了FileOutputStream、OutputStreamWriter和BufferedWriter等類來完成文件的寫入。首先，我們通過FileOutputStream類創建了一個輸出流對象，并指定了要寫入的文件名稱；然后通過OutputStreamWriter將字節流轉換為字符流，再通過BufferedWriter實現按行寫入文本內容。

3、Java NIO

3.1 簡介

Java NIO（New IO）是Java SE 1.4引入的一個新的IO API，它提供了比傳統IO更高效、更靈活的IO操作。與傳統IO相比，Java NIO的優勢在于它支持非阻塞IO和選擇器（Selector）等特性，能夠更好地支持高并發、高吞吐量的應用場景。本文將從NIO的基礎知識講起，逐步深入，介紹Java NIO的各個方面。

3.2 核心概念

3.2.1 選擇器（Selector）

選擇器是Java NIO中的一個重要組件，它可以用于同時監控多個通道的讀寫事件，并在有事件發生時立即做出響應。選擇器可以實現單線程監聽多個通道的效果，從而提高系統吞吐量和運行效率。

3.2.2 通道（Channel）

通道是一個用于讀寫數據的對象，類似于Java IO中的流（Stream）。與流不同的是，通道可以進行非阻塞式的讀寫操作，并且可以同時進行讀寫操作。通道分為兩種類型：FileChannel和SocketChannel，分別用于文件和網絡

通信。

3.2.3 緩沖區（Buffer）

在Java NIO中，所有數據都是通過緩沖區對象進行傳輸的。緩沖區是一段連續的內存塊，可以保存需要讀寫的數據。緩沖區對象包含了一些狀態變量，例如容量（capacity）、限制（limit）、位置（position）等，用于控制數據的讀寫。

3.3 Java NIO的使用

3.3.1 緩沖區操作

Java NIO中的緩沖區操作主要包括數據讀取和數據寫入兩種操作。下面是一個簡單的緩沖區讀取示例：

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();
}

在這個示例中，我們使用了FileChannel類和ByteBuffer類來完成文件的讀取。首先，我們通過FileInputStream類創建了一個輸入流對象，然后通過getChannel()方法獲取到對應的通道對象；接著，我們創建了一個容量為1024字節的ByteBuffer對象，并調用read()方法從通道中讀取數據，將讀取到的數據保存在緩沖區中。讀取完成后，我們通過flip()方法將緩沖區切換為讀模式，并使用hasRemaining()和get()方法逐個讀取數據；最后通過clear()方法清空緩沖區，準備進行下一輪讀取。

Java NIO中的緩沖區寫操作也非常類似，下面是一個簡單的緩沖區寫入示例：

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

在這個示例中，我們使用了FileChannel類和ByteBuffer類來完成文件的寫入。首先，我們通過ByteBuffer.wrap()方法將字符串轉換為ByteBuffer對象；然后，我們通過FileOutputStream類創建了一個輸出流對象，再通過getChannel()方法獲取到對應的通道對象；接著，我們調用write()方法將緩沖區中的數據寫入通道中，完成文件寫入操作。

3.3.2 通道操作

Java NIO中的通道（Channel）是用于進行數據傳輸的對象。通道可以連接到源或目標節點，用于讀取和寫入數據。與傳統的Java IO不同，NIO中的通道可以實現非阻塞式地讀寫數據，從而提高了應用程序的性能和并發處理能力。

要使用通道進行讀寫操作，首先需要打開通道。Java NIO中有多種類型的通道，每種通道都提供了自己的打開方式。例如，要打開一個文件通道，可以通過FileInputStream或FileOutputStream對象獲取對應的FileChannel對象，如下所示：

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

讀取數據 一旦打開了通道，就可以開始讀取數據。在NIO中，數據通過緩沖區進行傳輸。要讀取數據，需要將數據存儲在緩沖區中，然后從緩沖區中讀取數據。以下是一個簡單的讀取操作示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 從通道中讀取數據
int bytesRead = channel.read(buffer);
while (bytesRead != -1) {
    // 切換為讀模式
    buffer.flip();
    // 讀取緩沖區中的數據
    while (buffer.hasRemaining()) {
        System.out.print((char) buffer.get());
    }
    // 清空緩沖區
    buffer.clear();
    bytesRead = channel.read(buffer);
}

在這個示例中，我們首先創建了一個容量為1024字節的ByteBuffer對象，并使用channel.read()方法從文件通道中讀取數據。讀取到數據后，我們將ByteBuffer切換為讀模式，再使用hasRemaining()和get()方法逐個讀取緩沖區中的數據。

寫入數據 要寫入數據，也需要將數據存儲在緩沖區中，然后將緩沖區中的數據寫入到通道中。以下是一個簡單的寫入操作示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, world!".getBytes());
// 將數據寫入通道
channel.write(buffer);

在這個示例中，我們首先使用ByteBuffer.wrap()方法將字符串轉換為ByteBuffer對象，在通過channel.write()方法將ByteBuffer中的數據寫入到通道中。

4、Java AIO

Java AIO（Asynchronous IO）是一種基于事件和回調的IO模型，相比Java BIO（Blocking IO）和Java NIO（Non-blocking IO），它具有更高的并發性、更高的吞吐量和更高的可靠性。本文將介紹Java AIO的原理、特點和應用。

4.1 Java AIO的原理

Java AIO采用異步IO方式進行數據讀寫操作，與Java NIO不同，它不需要通過輪詢方式去檢查數據是否準備好，而是由操作系統完成。當數據準備好后，操作系統會通知應用程序，并在回調函數中進行處理。

AIO使用了三個核心組件：AsynchronousChannel、CompletionHandler和
AsynchronousServerSocketChannel。其中，AsynchronousChannel是讀/寫數據的通道，CompletionHandler是I/O操作完成時的回調方法，AsynchronousServerSocketChannel是異步服務器端套接字通道，用于監聽客戶端的連接請求。

當數據準備好后，操作系統將通知應用程序，并在回調函數中執行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，從而提高了程序的效率和并發處理能力。

4.2 Java AIO的特點

• 高并發性：Java AIO采用異步IO方式進行數據讀寫操作，可以實現高并發處理能力。

• 高吞吐量：Java AIO支持異步讀寫操作，可以同時處理多個請求，從而提高了數據讀寫的效率和吞吐量。

• 高可靠性：由于Java AIO采用異步IO方式進行數據讀寫操作，可以避免線程阻塞等待I/O操作完成的情況，從而提高程序的可靠性。

• 簡單易用：Java AIO提供了簡單易用的API，不需要編寫復雜的代碼就可以實現異步IO操作。

4.3 Java AIO的應用

Java AIO適用于需要大量并發連接，但每個連接卻很少有數據交互的場景，例如基于消息的應用程序、遠程過程調用（RPC）等。在這些應用場景中，AIO可以大幅度提高程序的性能和并發處理能力，從而滿足用戶對高吞吐量和低延遲的要求。

另外，Java AIO也可以用于開發高性能的網絡服務器，例如聊天室服務器、在線游戲服務器等。由于AIO支持異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，有效地提高了服務器的并發處理能力。

總結

Java AIO作為一種高性能、高并發的IO模型，具備很多優點，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、什么是Java IO和NIO？

Java IO（Input/Output）是Java中傳統的輸入輸出操作，使用字節流和字符流進行數據傳輸。
Java NIO（New Input/Output）是Java 1.4引入的新的輸入輸出API，它更加高效地處理數據。

2、什么是阻塞和非阻塞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、什么是緩沖區？有哪些類型的緩沖區？

緩沖區是一個用于存儲數據的數組，在進行IO操作時需要通過緩沖區來進行讀寫數據。
Java的緩沖區分為字節緩沖區（ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer等）和直接緩沖區（DirectByteBuffer、DirectCharBuffer、DirectShortBuffer等）。

4、什么是通道（Channel）？

通道是NIO中用于進行數據傳輸的對象，它可以連接到源或目標節點，用于讀取和寫入數據。

5、什么是選擇器（Selector）？

選擇器是NIO中的一個對象，它可以通過輪詢注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之間有什么區別？

Java IO基于流的方式進行數據傳輸，而NIO基于緩沖區和通道進行數據傳輸。
Java IO是阻塞式的，而NIO可以采用阻塞或非阻塞模式。
Java IO對線程使用較多，每個IO操作都需要創建一個線程，而NIO可以使用單個線程處理多個IO操作。

7、什么是文件通道（FileChannel）？

文件通道是NIO中用于讀取和寫入文件的通道，它支持隨機訪問和內存映射文件等高級功能。

8、Java IO和NIO哪個更快？

在大量小數據量的情況下，Java IO可能更快，因為它可以通過緩沖區一次性讀取所有數據。
在大量大塊數據的情況下，NIO可能更快，因為它可以使用零拷貝技術直接將數據從磁盤讀入內存，減少了數據復制的開銷。

感謝各位的閱讀，以上就是“Java輸入輸出IO、NIO和AIO對比分析”的內容了，經過本文的學習后，相信大家對Java輸入輸出IO、NIO和AIO對比分析這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實踐驗證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關知識點的文章，歡迎關注！