【旃蒙】深度探索-JAVA NIO VS 传统 IO（一）Buffer-优快云博客

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本文深入探讨Java NIO（New IO）与传统IO的区别，重点关注Buffer、Channel和Selector等核心概念。通过实例比较，揭示NIO在数据拷贝次数、内存管理以及性能优化方面的优势，尤其是对于大文件读取的效率提升。同时，介绍了HeapByteBuffer和DirectByteBuffer在内存分配和使用上的差异，以及DirectByteBuffer如何减少数据拷贝次数。文章最后通过性能测试展示了NIO在处理大文件时的性能优势。

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写完第三章之后，发现第一章中关于内核缓冲区的内容有错误，不好意思，已修复

如果这篇文章对您有些用处，请点赞告诉我O(∩_∩)O

一、概述

1、JAVA NIO，首先要理解NIO 是指 New IO，2002年在JDK1.4中引入。并不是Non-blocking I/O非阻塞IO的意思，包名为java.nio。

而”传统“IO则是指在此之前就已经存在java.io包中的IO类。

2、NIO和传统IO比较，从JAVA NIO API开头就可以看到核心抽象类：

（1）Buffer：数据容器

（2）Charset：字节与字符之间的转换所需要的编码解码。

（3）Channel：使用通道（连接到本地存储或网络）执行各种IO操作。

（4）Selector：能够一次选择多个通道，支持多路复用以及非阻塞IO的能力。

3、看不明白，没有关系，这些概念后面逐个说明。让我们先瞥一眼，提出一些问题，带着问题看下去：

（1）传统IO中也有BufferInputStream，BufferReader，和NIO中的Buffer相比有什么不同？

（2）传统IO中的Reader，Writer也能实现编码解码，和NIO中的Charset相比有什么不同？

（3）传统IO对流read，writer，NIO对通道read，writer有什么不同？是否支持一些新的IO操作？

（4）传统IO里面没有Selector这个特性，看不懂，它能带来什么好处？

（准备用四个章节回答这四个问题，今天请关注第一个问题）

二、基本概念

1、Buffer 数据容器

Buffer本质和数组一样，在内存中的一段连续空间，用来存储同一种类型的数据。

主要不同之处在于内存分配方式和索引管理，数组 VS Buffer，如下：

（mark与reset不是本文重点，与RandomAccessFile做对比的内容会补充在”最后的最后“）

//在堆中申请20字节空间, capacity=20, limit=20, position=0
ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(20);
//向Buffer写入9个字节，capacity=20, limit=20, position=9
bb.put("Hello NIO".getBytes());
//调整limit为当前position并且position归零, 准备从Buffer读出，capacity=20, limit=9, position=0
bb.flip();
//从Buffer中逐个读出字节，直到postion=limit
while (bb.hasRemaining()) {
    System.out.print(buffer.get() + " "); //每读出一个字节 position+=1
}

2、Channel通道

Channel表示可以进行多种IO操作的连接（到文件、socket或其他硬件设备）。传统IO操作流，NIO操作Channel。

三、从文件中读取数据的三种方式

1、传统IO-BufferedInputStream

            byte[] bs = new byte[BSIZE];
            try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(FILE))) {
                while (bis.read(bs) != -1) {
//                    System.out.println(Arrays.toString(bs));
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

说明：

（1）磁盘文件->内核缓冲区，由操作系统内核完成。

（2）read系统调用将内核缓冲区的数据拷贝到用户空间中的临时空间，再由临时空间拷贝到BufferedInputStream中的buf[]数组中，最后释放临时空间，由C程序完成。

（3）从BufferedInputStream的buf设拷贝到 bs输出，由JAVA完成。

（4）过程中数据拷贝4次。

2、NIO-HeapByteBuffer

            ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(BSIZE);
            try (FileChannel fc = new FileInputStream(FILE).getChannel()) {
                while (fc.read(bb) != -1) {
                    bb.flip();
//                    System.out.println(Arrays.toString(bb.array()));
                    bb.clear();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

说明：

（1）ByteBuffer.allocate方法创建HeapByteBuffer，使用new byte[1024]分配堆内存，hb为引用。

（2）当读取文件时，先使用ByteBuffer.allocateDirect分配临时堆外内存，再从文件（FileDescriptor）读到临时堆外内存。

（3）然后将临时堆外内存逐个字节拷贝到 ByteBuffer中的hb中。

（4）最后释放临时堆外内存。

（5）过程中数据拷贝3次。

3。NIO -DirectByteBuffer

            ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(BSIZE);
            try (FileChannel fc = new FileInputStream(FILE).getChannel()) {
                while (fc.read(bb) != -1) {
                    bb.flip();
                    //注DirectByteBuffer内hb为空，不支持bb.array()
//                    while(bb.hasRemaining()) {
//                        System.out.print(bb.get() + " ");
//                    }
                    bb.clear();
                }
                bb.flip();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                ((DirectBuffer) bb).cleaner().clean(); //手动清除堆外内存
            }