I/O簡介

在 Java 程式設計中，直到最近一直使用 流 的方式完成 I/O。所有 I/O 都被視為單個的位元組的移動，通過一個稱為 Stream 的物件一次移動一個位元組。流 I/O 用於與外部世界接觸。它也在內部使用，用於將物件轉換為位元組，然後再轉換回物件。

Java NIO即Java Non-blocking IO(Java非阻塞I/O)，因為是在Jdk1.4之後增加的一套新的操作I/O工具包，所以一般會被叫做Java New IO。NIO是為提供I/O吞吐量而專門設計，其卓越的效能甚至可以與C媲美。NIO是通過Reactor模式的事件驅動機制來達到Non blocking的，那麼什麼是Reactor模式呢？Reactor翻譯成中文是“反應器”，就是我們將事件註冊到Reactor中，當有相應的事件發生時，Reactor便會告知我們有哪些事件發生了，我們再根據具體的事件去做相應的處理。

NIO 與原來的 I/O 有同樣的作用和目的，但是它使用不同的方式–塊I/O。塊 I/O 的效率可以比流 I/O 高許多。NIO 的建立目的是為了讓 Java 程式設計師可以實現高速 I/O 而無需編寫自定義的本機程式碼。NIO 將最耗時的 I/O 操作(即填充和提取緩衝區)轉移回作業系統，因而可以極大地提高速度。

面向流 的 I/O 系統一次一個位元組地處理資料。一個輸入流產生一個位元組的資料，一個輸出流消費一個位元組的資料。為流式資料建立過濾器非常容易。連結幾個過濾器，以便每個過濾器只負責單個複雜處理機制的一部分，這樣也是相對簡單的。不利的一面是，面向流的 I/O 通常相當慢。

一個 面向塊 的 I/O 系統以塊的形式處理資料。每一個操作都在一步中產生或者消費一個數據塊。按塊處理資料比按(流式的)位元組處理資料要快得多。但是面向塊的 I/O 缺少一些面向流的 I/O 所具有的優雅性和簡單性。

NIO介紹

NIO有三個核心模組：Selector(選擇器)、Channel(通道)、Buffer(緩衝區)，另外java.nio.charsets包下新增的字符集類也是nio一個重要的模組，但個人覺得不算是NIO的核心，只是一個供NIO核心類使用的工具類。

通道和緩衝區

什麼是通道

通道是對原 I/O 包中的流的模擬。到任何目的地(或來自任何地方)的所有資料都必須通過一個 Channel 物件。一個 Buffer 實質上是一個容器物件。傳送給一個通道的所有物件都必須首先放到緩衝區中；同樣地，從通道中讀取的任何資料都要讀到緩衝區中。

Channel是一個物件，可以通過它讀取和寫入資料。拿 NIO 與原來的 I/O 做個比較，通道就像是流。
正如前面提到的，所有資料都通過 Buffer 物件來處理。你永遠不會將位元組直接寫入通道中，相反，你是將資料寫入包含一個或者多個位元組的緩衝區。同樣，你不會直接從通道中讀取位元組，而是將資料從通道讀入緩衝區，再從緩衝區獲取這個位元組。

下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的實現：

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

正如你所看到的，這些通道涵蓋了UDP 和 TCP 網路IO，以及檔案IO。

什麼是緩衝區

Buffer 是一個物件， 它包含一些要寫入或者剛讀出的資料。 在 NIO 中加入 Buffer 物件，體現了新庫與原 I/O 的一個重要區別。在面向流的 I/O 中，將資料直接寫入或者將資料直接讀到 Stream 物件中。在 NIO 庫中，所有資料都是用緩衝區處理的。在讀取資料時，它是直接讀到緩衝區中的。在寫入資料時，它是寫入到緩衝區中的。任何時候訪問 NIO 中的資料，您都是將它放到緩衝區中。緩衝區實質上是一個數組。通常它是一個位元組陣列，但是也可以使用其他種類的陣列。但是一個緩衝區不 僅僅 是一個數組。緩衝區提供了對資料的結構化訪問，而且還可以跟蹤系統的讀/寫程序。

Buffer與chennel的關係如下：

最常用的緩衝區型別是 ByteBuffer。一個 ByteBuffer 可以在其底層位元組陣列上進行 get/set 操作(即位元組的獲取和設定)。ByteBuffer 不是 NIO 中唯一的緩衝區型別。事實上，對於每一種基本 Java 型別都有一種緩衝區型別：

• ByteBuffer
• CharBuffer
• ShortBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer

每一個 Buffer 類都是 Buffer 介面的一個例項。 除了 ByteBuffer，每一個 Buffer 類都有完全一樣的操作，只是它們所處理的資料型別不一樣。因為大多數標準 I/O 操作都使用 ByteBuffer，所以它具有所有共享的緩衝區操作以及一些特有的操作。

什麼是Selector

在併發型伺服器程式中使用NIO，實際上是通過網路事件驅動模型實現的。我們應用Select 機制，不用為每一個客戶端連線新啟執行緒處理，而是將其註冊到特定的Selector 物件上，這就可以在單執行緒中利用Selector 物件管理大量併發的網路連線，更好的利用了系統資源；採用非阻塞I/O的通訊方式，不要求阻塞等待I/O 操作完成即可返回，從而減少了管理I/O 連線導致的系統開銷，大幅度提高了系統性能。

當有讀或寫等任何註冊的事件發生時，可以從Selector 中獲得相應的SelectionKey ， 從SelectionKey 中可以找到發生的事件和該事件所發生的具體的SelectableChannel，以獲得客戶端傳送過來的資料。由於在非阻塞網路I/O 中採用了事件觸發機制，處理程式可以得到系統的主動通知，從而可以實現底層網路I/O無阻塞、流暢地讀寫，而不像在原來的阻塞模式下處理程式需要不斷迴圈等待。使用NIO，可以編寫出效能更好、更易擴充套件的併發型伺服器程式。

這是在一個單執行緒中使用一個Selector處理4個Channel的圖示：

要使用Selector，得先向Selector註冊Channel，然後呼叫它的select()方法。這個方法會一直阻塞到某個註冊的通道有事件就緒。一旦這個方法返回，執行緒就可以處理這些事件，事件的例子比如有新連線進來或是資料接收等。