Java NIO

  • 前言
  • BIO
  • 字节流
  • 字符流
  • NIO
  • 为什么需要NIO
  • BIO vs NIO
  • NIO中的组件以及是如何提高性能的
  • Channel（通道）
  • Buffer（缓冲区）
  • 技巧：利用DirectBuffer减少内存复制
  • Selector（选择区）
  • AIO
  • 总结


前言

在学习JavaSE的时候，大部分人学习的IO都是基于流的BIO，叫做阻塞io。BIO的早期处理文件的方式是边读文件边处理数据，在后期引入了缓冲块流，将文件一次性读入内存再进行操作。

而在jdk1.4中加入了nio的概念，被称为new i/o或者non-block i/o，它是面向Buffer的传输流，Buffer可以将文件一次性读入内存在做后续操作。

在jdk1.7中推出了 nio2 ， 提出了操作系统层面实现的异步I/O。

今天就来进行Java的I/O比较。

BIO

Java中的BIO是基于流的IO，可以分为字符流和字节流。流是对字节序列的抽象，流有流动的方向，所以便有输入流和输出流的概念。通常可以从中读取一个字节序列的对象称为输入流，能够向其写入一个字节序列的对象称为输出流。

  • 读取字节序列 ==》 输入流
  • 写入字节序列 ==》 输出流

字节流

Java中的字节流处理的最基本单位是单个字节，一般是用来处理二进制数据。

其中最基本的字节流类是InputStream和OutputStream，代表了最顶层的字节输入流和字节输出流。

InputStream类与OutputStream类的最核心方法便是read方法与write方法。

public abstract int read() throws IOException;

该抽象方法的功能是从字节流中读取一个字节，若到了末位便返回 -1 ，否则返回读取到的字节。
其会一直阻塞直到返回的字节或者-1 。其默认不支持缓存，那么每调用一次 read 方法便会进行一次请求操作系统读取字节，效率较低。

public abstract void write(int b) throws IOException;

其他的重载write方法最后也是调用了该抽象方法。并且与读方法一样，也是一个一个写入。

我们可以很明显的知道，这样子效率极其低下，如果我们需要使用BIO，并且还想要效率变高，那么我们应该使用BufferedInputStream。

字符流

Java中字符流处理的最基本单位是Unicode码元（2字节），通常进行文本数据处理。Java中的String类便是将字符串以Unicode编码之后存储在内存中，而存储在硬盘中时便不是如此，因为硬盘中的文件存储有各种各样的编码方式。而字符流是如何运行的呢？

  • 输出字符流（内存到其他地方）：将已经通过Unicode编码的字符序列转为指定编码方式下的字节序列，然后写入文件。
  • 输入字符流（其他地方到内存）：将要读取的字节序列按指定编码方式解码为对应的Unicode字符序列存入内存。

NIO

为什么需要NIO

一般来说，一个新的技术的产生应该是迫切的需要解决某些问题。NIO也不例外，NIO的出现便是为了解决传统I/O的性能问题。

BIO vs NIO

BIO

NIO

面向 （最大区别）

面向流

面向Buffer

是否阻塞

读写时阻塞

非阻塞

内存复制

进行多次内存复制

内存复制次数低

面向： 关于BIO，之前已经写了，他是面向流的IO，有输入流和输出流两种；关于NIO，他是面向Buffer（缓冲区），传输效率变高。

是否阻塞： 关于BIO，我们知道，在BIO的读写时候，线程会直接阻塞，无法进行其他操作；关于NIO，NIO有个组件叫做Selector（选择区），是基于事件驱动实现的，也就是说，我们可以在Selector上注册不同的事件，然后Selector会不断轮询注册在其上的Channel，若发生监听操作，那么就Channel处于就绪状态，进行IO操作。

内存复制：
BIO的内存复制分为四步：

  1. JVM发出read()系统调用，通过read()系统调用向内核发起读请求；
  2. 内核向硬件发送读指令，等待读就绪；
  3. 内核把要读取的数据复制到指定的内核缓存中；
  4. 操作系统内核将数据复制到用户空间缓冲区，然后read()系统调用返回。

这个过程中，数据先从外部设备复制到内核空间，再从内核空间到用户空间，进行了两次内存复制，降低IO性能。

而NIO只需要进行一次内存复制。

NIO中的组件以及是如何提高性能的

NIO中的核心组件有：

  • Channel（通道）
  • Buffer（缓冲区）
  • Selector（选择区）
Channel（通道）

Channel，国内通常翻译成通道，与流相当于是同一个等级的对象。他是如何提高性能的呢？

首先我们可以知道，最刚刚开始，应用程序调用操作系统I/O接口的时候，是由CPU完成分配，那么在大量I/O请求发送时，CPU的消耗巨大。之后操作系统引入了DMA（直接存储器存储），内核空间与硬盘直接的存取由其负责，但是DMA还是需要向CPU请求权限，且需要借助DMA总线完成数据复制，总线一多容易造成冲突。

而Channel有自己的处理器，可以完成内核空间与硬盘直接的I/O操作，在NIO中，读取和写入都要通过Channel。

Buffer（缓冲区）

Buffer可以将文件一次性读入内存在做后续操作，而流的话需要边读边处理。

后面BIO也有待缓冲区的流，但是其性能难以媲美NIO。

技巧：利用DirectBuffer减少内存复制

数据若要输出到外部设备，那么必须先从用户空间复制到内核空间，在复制到输出设备。

但是DirectBuffer可以直接开辟物理内存，而不是像普通Buffer一样分配JVM内存，这样就可以直接将其从内核空间复制到外部设备，减少数据拷贝。

Tips：但是需要注意一点就是，我们都知道JVM会自动进行GC，但是由于DirectBuffer申请的是物理内存，那么销毁和创建的代价非常高昂，其是通过DirectBuffer包装类被回收时，通过Java Reference 机制释放内存。

Selector（选择区）

Channel和Selector是NIO实现非阻塞的原因。

在BIO中，使用带有Buffered的I/O流依然会存在阻塞问题。而阻塞问题，才是BIO的最大的弊端。我们可以回忆起学习JavaSE的Socket时，我们要进行死循环，一直阻塞接收请求，直到下面三种情况任意一种：

  • 有数据可读；
  • 连接释放；
  • 空指针或者I/O异常

Selector是基于事件驱动的，一个线程使用一个Selector，轮询监听多个Channel上的事件，在注册的时候指定通道为非阻塞。

AIO

关于AIO，很多人会疑惑，现在很多的框架与组件都是基于NIO的，为什么没有使用更新的AIO呢。

原因是因为AIO中并没有真正使用操作系统锁提供的异步I/O，本质还是同步非阻塞I/O。所以大多数还是使用NIO。

总结

I/O主要是基于操作系统的接口进行封装，而关于NIO主要是从阻塞、缓冲、降低内存复制次数三个方面进行优化，而AIO没有大量推行是因为它没有根本上的突破。