使用NIO提高Java應(yīng)用輸入輸出性能

摘要：文章介紹了I/O在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要性，指出Java語(yǔ)言早期的Stream式I/O模型存在性能問(wèn)題，引出NIO模型及其兩個(gè)關(guān)鍵接口Channel和Buffer，介紹了它們的創(chuàng)建和使用方法，并從源代碼的角度給出其具體說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：輸入輸出 NIO 塊操作 Channel Buffer

0 引言

I/O是“輸入輸出”的英文縮寫(xiě)，指系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換的過(guò)程。I/O系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部之間或與外部溝通的橋梁。由于其重要性，現(xiàn)代操作系統(tǒng)均內(nèi)置了I/O操作的底層實(shí)現(xiàn)，軟件開(kāi)發(fā)人員的任務(wù)是設(shè)計(jì)具體的調(diào)用形式和過(guò)程。

在早期的Java語(yǔ)言中，I/O操作主要依靠Stream模型實(shí)現(xiàn)，類(lèi)庫(kù)中包含了一些特色鮮明的Stream類(lèi)供開(kāi)發(fā)人員反復(fù)利用。該模型將I/O看作字節(jié)的單列順序移動(dòng)，這種思想便于軟件開(kāi)發(fā)人員學(xué)習(xí)和使用，能夠方便地建立編程框架，編寫(xiě)出簡(jiǎn)潔而優(yōu)美的代碼。但是，有一個(gè)不容忽視的問(wèn)題——在數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中，通常不能滿(mǎn)足性能需求，這是因?yàn)镾tream模型每次只讀取一個(gè)字節(jié)。當(dāng)時(shí)，開(kāi)發(fā)人員通過(guò)編寫(xiě)Native代碼繞過(guò)Stream模型，缺點(diǎn)是付出安全性和可移植性等方面的代價(jià)。

為了解決上述問(wèn)題，Java語(yǔ)言引入了NIO，它以標(biāo)準(zhǔn)Java代碼的方式彌補(bǔ)了Stream模型的不足，并提供了一些新的功能。

1 NIO簡(jiǎn)介

NIO是“新的輸入輸出”的英文縮寫(xiě)，通過(guò)利用操作系統(tǒng)的底層優(yōu)化，以塊的方式實(shí)現(xiàn)高速的I/O操作。它為所有的原始類(lèi)型提供Buffer支持、字符集編碼解碼解決方案、鎖功能、內(nèi)存映射文件以及多路非阻塞式網(wǎng)絡(luò)I/O 。NIO的核心是Channel和Buffer兩個(gè)接口，幾乎在每個(gè)I/O操作中都要使用它們。

2 Buffer與Channel

在NIO中，所有數(shù)據(jù)都是緩沖處理的，Buffer接口充當(dāng)著容器的角色。本質(zhì)上，Buffer實(shí)現(xiàn)類(lèi)包裝一個(gè)特定長(zhǎng)度的基本數(shù)據(jù)類(lèi)型數(shù)組，提供高級(jí)的訪問(wèn)方法，跟蹤讀、寫(xiě)進(jìn)程。在I/O操作時(shí)，數(shù)據(jù)首先進(jìn)入Buffer對(duì)象，然后從Buffer對(duì)象中讀取或者向其中寫(xiě)入。

Channel的角色類(lèi)似于Stream，但前者有兩個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)，其一是可以一次讀取或?qū)懭胍粋€(gè)Buffer的數(shù)據(jù)而非一個(gè)Byte；其二是Channel是雙向的，既可以讀，也可以寫(xiě)，甚至同時(shí)讀和寫(xiě)，這更符合一些操作系統(tǒng)的底層實(shí)現(xiàn)。

3 輸入數(shù)據(jù)

這里以讀入文件數(shù)據(jù)為例說(shuō)明NIO輸入功能的使用方法，分為三個(gè)簡(jiǎn)單步驟。第一步，獲取FileChannel：

FileInputStream fis = new FileInputStream（ \"foo\" ）；

FileChannel fc = fis.getChannel（）；

第二步，創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的類(lèi)型和大小依實(shí)際需求而定，這里創(chuàng)建一個(gè)可容納1024字節(jié)的緩沖區(qū)：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate（ 1024 ）；

第三步，使用Channel將數(shù)據(jù)讀入到Buffer中：

fc.read（ buffer ）；

在這個(gè)過(guò)程中，不需要告訴Channel需要讀多少數(shù)據(jù)，Buffer內(nèi)部機(jī)制會(huì)決定待讀取的數(shù)據(jù)量。

通過(guò)以上三步，文件中的數(shù)據(jù)已經(jīng)以字節(jié)的形式存儲(chǔ)在Buffer中，可以使用get方法取出并做后續(xù)處理。

4 輸出數(shù)據(jù)

與輸入數(shù)據(jù)類(lèi)似，這里同樣以文件數(shù)據(jù)的形式說(shuō)明NIO輸出功能的使用方法，分為三個(gè)簡(jiǎn)單步驟。第一步，獲取FileChannel：

FileOutputStream fos = new FileOutputStream（ \"foo\" ）；

FileChannel fc = fos.getChannel（）；

第二步，創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的類(lèi)型和大小依實(shí)際需求而定，這里創(chuàng)建一個(gè)可容納1024字節(jié)的緩沖區(qū)，然后向其中填入待寫(xiě)入的數(shù)據(jù)：

其中，put方法與上文get方法相對(duì)，用于向Buffer中添加數(shù)據(jù)，新的flip方法設(shè)置Buffer的內(nèi)部狀態(tài)，通知Buffer準(zhǔn)備好即將進(jìn)行的輸出操作。

第三步，使用Channel將從Buffer中寫(xiě)出：

fc.write（ buffer ）；

如果Buffer中的數(shù)據(jù)小于創(chuàng)建時(shí)的長(zhǎng)度，寫(xiě)出操作會(huì)根據(jù)實(shí)際長(zhǎng)度大小進(jìn)行調(diào)整。

5 輸入輸出結(jié)合應(yīng)用

這里給出一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的例子，用以說(shuō)明如何將一個(gè)Buffer實(shí)例同時(shí)應(yīng)用到讀和寫(xiě)的過(guò)程中。

其中，如果read方法的返回值為-1，表明數(shù)據(jù)已經(jīng)讀完；新的clear方法與flip方法類(lèi)似，重設(shè)Buffer內(nèi)部狀態(tài)，使它準(zhǔn)備接收新的數(shù)據(jù)。

6 總結(jié)

以上示例中沒(méi)有包含異常處理的代碼，目的在于向讀者清晰明了地說(shuō)明NIO的使用方法，從中可以看出，NIO并沒(méi)有明顯增加Java語(yǔ)言程序的代碼量，與Native代碼方式比較，在滿(mǎn)足安全性和可移植性要求的情況下，提供了相似的性能，降低了后期維護(hù)成本，不失為一種優(yōu)秀的I/O模型，應(yīng)該被推廣使用。

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