NIO 与传统 IO：深入理解与应用场景

在 Java 编程中，IO（输入/输出）操作是不可或缺的一部分。Java 提供了两种主要的 IO 机制：传统的阻塞式 IO（Blocking IO）和非阻塞式 IO（Non-blocking IO），后者通常被称为 NIO（New IO）。本文将深入探讨这两种 IO 模型的差异，特别是在文件操作和网络传输中的应用场景。

1 传统 IO 与 NIO 的对比

1.1 传统 IO（Blocking IO）

传统 IO 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 ServerSocket 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。

1.2 NIO（Non-blocking IO）

NIO 使用通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行文件操作，以及使用 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 进行网络传输。NIO 采用非阻塞模型，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。

2 文件操作中的 NIO 与传统 IO

2.1 性能测试

为了比较 NIO 和传统 IO 在文件操作中的性能，我们编写了一个简单的文件复制程序，分别使用传统 IO 和 NIO 进行文件复制。

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();BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(source));BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(des));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();RandomAccessFile read = new RandomAccessFile(source, "rw");RandomAccessFile write = new RandomAccessFile(des, "rw");FileChannel readChannel = read.getChannel();FileChannel writeChannel = write.getChannel();ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);while (readChannel.read(byteBuffer) > 0) {byteBuffer.flip();writeChannel.write(byteBuffer);byteBuffer.clear();}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");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");}
}

测试结果：在文件较大的情况下，传统 IO 的速度竟然比 NIO 更快。这可能是因为文件操作本身不涉及大量并发，NIO 的非阻塞特性在文件操作中并没有明显优势。

3. 网络传输中的 NIO 与传统 IO

在 Java 中，传统 IO 和 NIO 在服务器端实现上有显著的差异。传统 IO 使用阻塞式模型，而 NIO 使用非阻塞式模型，通过 Selector 实现 I/O 多路复用。下面我们将详细对比这两种模型的实现。

3.1 服务器端代码对比

传统 IO 服务器：传统 IO 服务器使用 ServerSocket 和 Socket 类来实现阻塞式 I/O。每个连接都需要一个单独的线程来处理，这在大规模并发连接的情况下会导致性能问题。

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();}}
}

关键点：

阻塞式 I/O：serverSocket.accept() 和 in.read(buffer) 都是阻塞的，直到有新的连接或数据到达。
线程模型：每个连接都需要一个单独的线程来处理，这在大规模并发连接的情况下会导致性能问题。

NIO 服务器：NIO 服务器使用 ServerSocketChannel 和 Selector 类来实现非阻塞式 I/O 和 I/O 多路复用。单个线程可以处理多个连接，从而提高性能。

public class NIOServer {public static void main(String[] args) {try {ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8081));serverSocketChannel.configureBlocking(false);Selector selector = Selector.open();serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while (true) {selector.select();Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();iterator.remove();if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel client = server.accept();client.configureBlocking(false);client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);} else if (key.isReadable()) {SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);client.read(buffer);buffer.flip();client.write(buffer);client.close();}}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

关键点：

非阻塞式 I/O：serverSocketChannel.configureBlocking(false) 和 client.configureBlocking(false) 设置为非阻塞模式。
I/O 多路复用：使用 Selector 监控多个 SocketChannel，单个线程可以处理多个连接。
事件驱动：通过SelectionKey处理不同的事件（如OP_ACCEPT和 OP_READ）。

客户端测试用例：为了比较传统 IO 和 NIO 服务器的性能，我们编写了一个简单的客户端测试用例，分别测试处理 10000 个客户端请求所需的时间。

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

测试结果：NIO 服务器处理 10000 个客户端请求的时间明显优于传统 IO 服务器，NIO 在网络传输中的性能优势显著。

4. 总结

文件操作：传统 IO 和 NIO 在文件操作中的性能差异不大，NIO 的非阻塞特性在文件操作中没有明显优势。
网络传输：NIO 在网络传输中的性能显著优于传统 IO，特别是在高并发场景下。NIO 的非阻塞模型和 I/O 多路复用机制使得单个线程可以高效地管理多个并发连接，从而提高系统性能。
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。