Java的三种IO模型：深入浅出，一文搞定！

2022-12-23 16:43:37

Java 中的三种 IO 模型：从基础到高并发场景

导语

在现代软件开发中，处理输入和输出 (I/O) 操作至关重要，而 I/O 模型的选择对应用程序的性能、吞吐量和响应能力产生重大影响。本文将深入探讨 Java 中的三种 I/O 模型：阻塞 I/O、非阻塞 I/O 和异步 I/O，帮助你根据不同场景做出最佳选择。

阻塞 I/O：简单可靠的起点

阻塞 I/O 是最简单的 I/O 模型，它采用同步机制。当一个 I/O 操作被调用时，调用线程会被阻塞，直到操作完成。这种模型容易理解和实现，因此对于基本的 I/O 操作非常合适。

代码示例：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class BlockingIOExample {

    public static void main(String[] args) {
        try (FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("input.txt")) {
            int b;
            while ((b = fileInputStream.read()) != -1) {
                System.out.print((char) b);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

优点：

简单易懂
易于实现
代码量少

缺点：

线程阻塞，无法同时处理其他任务
效率低下，特别是对于长时间的 I/O 操作
无法处理高并发的 I/O 请求

非阻塞 I/O：异步处理，提高效率

非阻塞 I/O 采用异步机制。当一个 I/O 操作被调用时，调用线程不会被阻塞，而是可以继续执行其他任务。当操作完成时，操作系统会通过通知机制通知调用线程。这种模型提高了效率，特别适合长时间的 I/O 操作。

代码示例：

import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardOpenOption;
import java.io.IOException;

public class NonBlockingIOExample {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("input.txt"), StandardOpenOption.READ);
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            while (fileChannel.read(buffer) != -1) {
                buffer.flip();
                while (buffer.hasRemaining()) {
                    System.out.print((char) buffer.get());
                }
                buffer.clear();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

优点：

线程不会阻塞，可同时处理多个 I/O 请求
效率高，特别是对于长时间的 I/O 操作
能够处理高并发的 I/O 请求

缺点：

实现复杂
代码量多
需要使用更多的系统调用

异步 I/O：终极异步，无缝并发

异步 I/O 是一种特殊的异步机制。当一个 I/O 操作被调用时，调用线程不会被阻塞，也不会在操作完成时收到通知。相反，操作系统会将 I/O 操作的完成情况存储在内核中，由另一个线程定期轮询内核以检查操作是否完成。这种模型提供了无缝的并发处理。

代码示例：

import java.nio.channels.AsynchronousFileChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardOpenOption;
import java.io.IOException;

public class AsyncIOExample {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            AsynchronousFileChannel fileChannel = AsynchronousFileChannel.open(Paths.get("input.txt"), StandardOpenOption.READ);
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            fileChannel.read(buffer, 0L, null, new CompletionHandler<Integer, Long>() {

                @Override
                public void completed(Integer result, Long attachment) {
                    // I/O 操作完成时的回调
                    System.out.println("I/O 操作完成，读取了 " + result + " 个字节");
                }

                @Override
                public void failed(Throwable exc, Long attachment) {
                    // I/O 操作失败时的回调
                    exc.printStackTrace();
                }
            });
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}