Java NIO 比传统 IO 强在哪里?

沉默王二Java核心Java NIO约 3456 字大约 12 分钟

12.1 NIO比IO强在哪?

我花了几天时间去了解NIO 的核心知识,期间看了《Java 编程思想》和《疯狂 Java 讲义》中的 NIO 模块。但是,看完之后还是很,不知道 NIO 是干嘛用的,网上的资料和书上的知识点没有很好地对应上。

我这里先给大家展示一副传统 IO 和 NIO 的对比图,感受一下。

传统 IOopen in new window 基于字节流或字符流(如 FileInputStream、BufferedReader 等)进行文件读写,以及使用 Socket 和 ServerSocketopen in new window 进行网络传输。

NIO 使用通道(Channel)和缓冲区(Buffer)open in new window进行文件操作,以及使用 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 进行网络传输。

传统 IO 采用阻塞式模型,对于每个连接,都需要创建一个独立的线程来处理读写操作。当一个线程在等待 I/O 操作时,无法执行其他任务。这会导致大量线程的创建和销毁,以及上下文切换,降低了系统性能。

NIO 使用非阻塞模型,允许线程在等待 I/O 时执行其他任务。这种模式通过使用选择器(Selector)来监控多个通道(Channel)上的 I/O 事件,实现了更高的性能和可伸缩性。

01、NIO 和传统 IO 在操作文件时的差异

JDK 1.4 中,java.nio.*包引入新的 Java I/O 库,其目的是提高速度。实际上,“旧”的 I/O 包已经使用 NIO重新实现过,即使我们不显式的使用 NIO 编程,也能从中受益

  • nio 翻译成 no-blocking io 或者 new io 都无所谓啦,都说得通~

在《Java 编程思想》读到“即使我们不显式的使用 NIO 编程,也能从中受益”的时候,我是挺在意的,所以:我们测试一下使用 NIO 复制文件和传统 IO 复制文件open in new window 的性能:

public class SimpleFileTransferTest {

    // 使用传统的 I/O 方法传输文件
    private long transferFile(File source, File des) throws IOException {
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        if (!des.exists())
            des.createNewFile();

        // 创建输入输出流
        BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(source));
        BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(des));

        // 使用数组传输数据
        byte[] bytes = new byte[1024 * 1024];
        int len;
        while ((len = bis.read(bytes)) != -1) {
            bos.write(bytes, 0, len);
        }

        long endTime = System.currentTimeMillis();
        return endTime - startTime;
    }

    // 使用 NIO 方法传输文件
    private long transferFileWithNIO(File source, File des) throws IOException {
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        if (!des.exists())
            des.createNewFile();

        // 创建随机存取文件对象
        RandomAccessFile read = new RandomAccessFile(source, "rw");
        RandomAccessFile write = new RandomAccessFile(des, "rw");

        // 获取文件通道
        FileChannel readChannel = read.getChannel();
        FileChannel writeChannel = write.getChannel();

        // 创建并使用 ByteBuffer 传输数据
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);
        while (readChannel.read(byteBuffer) > 0) {
            byteBuffer.flip();
            writeChannel.write(byteBuffer);
            byteBuffer.clear();
        }

        // 关闭文件通道
        writeChannel.close();
        readChannel.close();
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        return endTime - startTime;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SimpleFileTransferTest simpleFileTransferTest = new SimpleFileTransferTest();
        File sourse = new File("[电影天堂www.dygod.cn]猜火车-cd1.rmvb");
        File des = new File("io.avi");
        File nio = new File("nio.avi");

        // 比较传统的 I/O 和 NIO 传输文件的时间
        long time = simpleFileTransferTest.transferFile(sourse, des);
        System.out.println(time + ":普通字节流时间");

        long timeNio = simpleFileTransferTest.transferFileWithNIO(sourse, nio);
        System.out.println(timeNio + ":NIO时间");
    }
}

先解释一下这段代码,里面出现的 RandomAccessFileopen in new window 我们之前讲过,FileChannel 是 Java NIO(New I/O)库中的一个类,它提供了对文件的高效 I/O 操作,支持随机访问文件,允许在文件的任意位置进行读写操作。

与 RandomAccessFile 不同,FileChannel 使用了缓冲区(ByteBuffer)open in new window进行数据传输。

好,在我给出实际的结论之前,你是否会有这样的结论:

  • 对于较小的文件,NIO 和普通 IO 之间的性能差异可能不会非常明显,因为文件本身较小,复制过程较快。
  • 对于较大的文件,使用 NIO 的性能可能会明显优于普通 IO。因为 NIO 使用了更高效的缓冲区和通道机制,可以在内存中进行更快的数据传输。

然而实际的结果,却会令你大跌眼镜:

文件越大的情况下,竟然普通字节流(传统 IO)的速度更快(当然了,个人测试,或许不是很准),那还要 NIO 做什么呢?况且 NIO 的学习成本也比传统 IO 要高一些。

那这意味着我们可以不使用/学习 NIO 了吗

答案是否定的,IO 操作往往在两个场景下会用到:

  • 文件 IO
  • 网络 IO

而 NIO 的魅力主要体现在网络中

NIO(New I/O)的设计目标是解决传统 I/O(BIO,Blocking I/O)在处理大量并发连接时的性能瓶颈。传统 I/O 在网络通信中主要使用阻塞式 I/O,为每个连接分配一个线程。当连接数量增加时,系统性能将受到严重影响,线程资源成为关键瓶颈。而 NIO 提供了非阻塞 I/O 和 I/O 多路复用,可以在单个线程中处理多个并发连接,从而在网络传输中显著提高性能。

以下是 NIO 在网络传输中优于传统 I/O 的原因:

①、NIO 支持非阻塞 I/O,这意味着在执行 I/O 操作时,线程不会被阻塞。这使得在网络传输中可以有效地管理大量并发连接(数千甚至数百万)。而在操作文件时,这个优势没有那么明显,因为文件读写通常不涉及大量并发操作。

②、NIO 支持 I/O 多路复用,这意味着一个线程可以同时监视多个通道(如套接字),并在 I/O 事件(如可读、可写)准备好时处理它们。这大大提高了网络传输中的性能,因为单个线程可以高效地管理多个并发连接。操作文件时这个优势也无法提现出来。

③、NIO 提供了 ByteBuffer 类open in new window,可以高效地管理缓冲区。这在网络传输中很重要,因为数据通常是以字节流的形式传输。操作文件的时候,虽然也有缓冲区,但优势仍然不够明显。

02、NIO 和传统 IO 在网络传输中的差异

来看服务器端代码的差别。

IO,用的套接字open in new window,代码比较简单,我就不加注释了,之前学过,应该都能看得懂,用 while 循环监听客户端 Socket:

public class IOServer {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);

            while (true) {
                Socket client = serverSocket.accept();
                InputStream in = client.getInputStream();
                OutputStream out = client.getOutputStream();

                byte[] buffer = new byte[1024];
                int bytesRead = in.read(buffer);
                out.write(buffer, 0, bytesRead);

                in.close();
                out.close();
                client.close();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

NIO,这部分我加上注释,主要用到的是 ServerSocketChannel 和 Selector:

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建 ServerSocketChannel
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 绑定端口
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8081));
            // 设置为非阻塞模式
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);

            // 创建 Selector
            Selector selector = Selector.open();
            // 将 ServerSocketChannel 注册到 Selector,关注 OP_ACCEPT 事件
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            // 无限循环,处理事件
            while (true) {
                // 阻塞直到有事件发生
                selector.select();
                // 获取发生事件的 SelectionKey
                Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    // 处理完后,从 selectedKeys 集合中移除
                    iterator.remove();

                    // 判断事件类型
                    if (key.isAcceptable()) {
                        // 有新的连接请求
                        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        // 接受连接
                        SocketChannel client = server.accept();
                        // 设置为非阻塞模式
                        client.configureBlocking(false);
                        // 将新的 SocketChannel 注册到 Selector,关注 OP_READ 事件
                        client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    } else if (key.isReadable()) {
                        // 有数据可读
                        SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
                        // 创建 ByteBuffer 缓冲区
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        // 从 SocketChannel 中读取数据并写入 ByteBuffer
                        client.read(buffer);
                        // 翻转 ByteBuffer,准备读取
                        buffer.flip();
                        // 将数据从 ByteBuffer 写回到 SocketChannel
                        client.write(buffer);
                        // 关闭连接
                        client.close();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

上面的代码创建了一个基于 Java NIO 的简单 TCP 服务器。它使用 ServerSocketChannel 和 Selector(后面会讲)open in new window 实现了非阻塞 I/O 和 I/O 多路复用。服务器循环监听事件,当有新的连接请求时,接受连接并将新的 SocketChannel 注册到 Selector,关注 OP_READ 事件。当有数据可读时,从 SocketChannel 中读取数据并写入 ByteBuffer,然后将数据从 ByteBuffer 写回到 SocketChannel。

这里简单说一下 Socket 和 ServerSocketopen in new window,以及 ServerSocketChannel 和 SocketChannel。

Socket 和 ServerSocket 是传统的阻塞式 I/O 编程方式,用于建立和管理 TCP 连接。

  • Socket:表示客户端套接字,负责与服务器端建立连接并进行数据的读写。
  • ServerSocket:表示服务器端套接字,负责监听客户端连接请求。当有新的连接请求时,ServerSocket 会创建一个新的 Socket 实例,用于与客户端进行通信。

在传统阻塞式 I/O 编程中,每个连接都需要一个单独的线程进行处理,这导致了在高并发场景下的性能问题。在接下来的客户端测试用例中会看到。

为了解决传统阻塞式 I/O 的性能问题,Java NIO 引入了 ServerSocketChannel 和 SocketChannelopen in new window。它们是非阻塞 I/O,可以在单个线程中处理多个连接。

  • ServerSocketChannel:类似于 ServerSocket,表示服务器端套接字通道。它负责监听客户端连接请求,并可以设置为非阻塞模式,这意味着在等待客户端连接请求时不会阻塞线程。
  • SocketChannel:类似于 Socket,表示客户端套接字通道。它负责与服务器端建立连接并进行数据的读写。SocketChannel 也可以设置为非阻塞模式,在读写数据时不会阻塞线程。

再来简单说一下 Selectoropen in new window,后面会再细讲。

Selector 是 Java NIO 中的一个关键组件,用于实现 I/O 多路复用open in new window。它允许在单个线程中同时监控多个 ServerSocketChannel 和 SocketChannel,并通过 SelectionKey 标识关注的事件。当某个事件发生时,Selector 会将对应的 SelectionKey 添加到已选择的键集合中。通过使用 Selector,可以在单个线程中同时处理多个连接,从而有效地提高 I/O 操作的性能,特别是在高并发场景下。

客户端测试用例:

public class TestClient {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int clientCount = 10000;
        ExecutorService executorServiceIO = Executors.newFixedThreadPool(10);
        ExecutorService executorServiceNIO = Executors.newFixedThreadPool(10);

        // 使用传统 IO 的客户端
        Runnable ioClient = () -> {
            try {
                Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
                OutputStream out = socket.getOutputStream();
                InputStream in = socket.getInputStream();
                out.write("Hello, 沉默王二 IO!".getBytes());
                byte[] buffer = new byte[1024];
                in.read(buffer);
                in.close();
                out.close();
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        };

        // 使用 NIO 的客户端
        Runnable nioClient = () -> {
            try {
                SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
                socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8081));
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, 沉默王二 NIO!".getBytes());
                socketChannel.write(buffer);
                buffer.clear();
                socketChannel.read(buffer);
                socketChannel.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        };

        // 分别测试 NIO 和传统 IO 的服务器性能
        long startTime, endTime;

        startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < clientCount; i++) {
            executorServiceIO.execute(ioClient);
        }
        executorServiceIO.shutdown();
        executorServiceIO.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("传统 IO 服务器处理 " + clientCount + " 个客户端耗时: " + (endTime - startTime) + "ms");

        startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < clientCount; i++) {
            executorServiceNIO.execute(nioClient);
        }
        executorServiceNIO.shutdown();
        executorServiceNIO.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("NIO 服务器处理 " + clientCount + " 个客户端耗时: " + (endTime - startTime) + "ms");
    }
}

在这个简单的性能测试中,我们使用固定线程池(10个线程)来模拟客户端并发请求。分别测试 NIO 和传统 IO 服务器处理 10000 个客户端请求所需的时间。来看一下结果。

可以看得出,NIO 比 传统 IO 差不多快一倍的时间。当然了,这是放在我本地测试的,如果服务端放在生产环境下,这个结果会有所不同,但我在本地跑了几次,结果差不多是这样的结果。

这说明 NIO 在网络传输中的性能确实要优于传统 IO 的。

03、小结

本篇内容主要讲了 NIO(New IO)和传统 IO 之间的差异,包括 IO 模型、操作文件、网络传输等方面。

  • 传统 I/O 采用阻塞式模型,线程在 I/O 操作期间无法执行其他任务。NIO 使用非阻塞模型,允许线程在等待 I/O 时执行其他任务,通过选择器(Selector)监控多个通道(Channel)上的 I/O 事件,提高性能和可伸缩性。
  • 传统 I/O 使用基于字节流或字符流的类(如 FileInputStream、BufferedReader 等)进行文件读写。NIO 使用通道(Channel)和缓冲区(Buffer)进行文件操作,NIO 在性能上的优势并不大。
  • 传统 I/O 使用 Socket 和 ServerSocket 进行网络传输,存在阻塞问题。NIO 提供了 SocketChannel 和 ServerSocketChannel,支持非阻塞网络传输,提高了并发处理能力。

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