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Java IO/NIO
- 前言
- 一、IO模型
- 1.1. 阻塞IO模型
- 1.2. 非阻塞IO模型
- 1.3. 多路复用IO模型
- 1.4. 信号驱动IO模型
- 1.5. 异步IO模型
- 二、IO/NIO
- 2.1. IO包
- 2.2. JAVA NIO
- 2.2.1. NIO的缓冲区
- 2.2.2. NIO的非阻塞
- 2.3. Channel
- 2.4. Buffer
- 2.5. Selector
- 总结
前言
本章是从JVM学习之路（下篇）剥离出来的，由于篇幅问题，所以另起一篇。下面开始一起学习Java IO/NIO的一些知识吧。
一、IO模型
1.1. 阻塞IO模型
最传统的一种IO模型，即在读写数据过程中会发生阻塞现象。当用户线程发出IO请求后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用户线程交出CPU。当数据就绪之后，内核会将数据拷贝到用户线程，并返回结果给用户线程，用户线程才解除block状态。典型的阻塞IO模型的例子为：data = socket.read()，如果数据没有就叙，就会一直阻塞在read方法。
1.2. 非阻塞IO模型
当用户线程发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到一个结果。如果结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。所以事实上，在非阻塞IO模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就是说非阻塞IO不会交出CPU，而会一直占用CPU。典型地非阻塞IO模型一般如下：
while(true) {
data = socket.read();
if(data != error) {
// 处理数据
break;
}
}但是对于非阻塞IO就有一个非常严重地问题，在while循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪，这样会导致CPU占用率非常高，因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。
1.3. 多路复用IO模型
多路复用IO模型时目前使用比较多的模型。Java NIO实际上就是多路复用IO。在多路复用IO模型中，会有一个线程不断去轮询多个socket的状态，只有当socket真正有读写事件时，才真正调用实际的IO读写操作。因为在多路复用IO模型中，只需要使用一个线程就可以管理多个socket，系统不需要建立新的金充或者线程，也不必维护这些线程和进程，并且只有在真正有socket读写事件进行时，才会使用IO资源，所以它大大减少了资源占用。在Java NIO中，是通过selector.select()去查询每个通道是否有到达事件，如果没有事件，则一直阻塞在那里，因此这种方式会导致用户线程的阻塞。多路复用IO模式，通过一个线程就可以管理多个socket，只有当socket真正有读写事件发生才会占用资源来进行实际的读写操作。因此，多路复用IO比较适合连接数比较多的情况。
另外多路复用IO为何比阻塞IO模型的效率高是因为在非阻塞IO种，不断询问socket状态时通过用户线程去进行的，而在多路复用IO中，轮询每个socket状态是内核在进行的，这个效率要比用户线程高很多。
不过要注意的是，多路复用IO模型是通过轮询的方式来检查是否有事件到达，并且堆到达的事件逐一进行响应。因此对于多路复用模型来说，一旦事件响应体很大，那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理，并且会影响新的事件轮询。
1.4. 信号驱动IO模型
在信号驱动IO模型中，当用户线程发起一个IO请求操作，会给对应的socket注册一个信号函数，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。
1.5. 异步IO模型
异步IO模型才是最理想的IO模型，在异步IO模型中，当用户线程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其他的事。而另一方面，从内核的角度，当它收到一个asynchronous read之后，它会立刻返回，说明read请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何block。然后，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户线程，当这一切都完成之后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它read操作完成了。也就是说用户线程完全不需要实际的整个IO操作时如何进行的，只需要先发起一个请求，当接收内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成，可以直接去使用数据了。
也就是说在异步IO模型中，IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程，这两个阶段都是由内核自动完成，然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用IO函数进行具体的读写。这点是和信号驱动模型有所不同的，在信号驱动模型中，当用户线程接收到信号表示数据已经就绪，然后需要用户线程调用IO函数进行实际的读写操作；而异步IO模型中，收到信号表示IO操作已经完成，不需要再在用户线程中调用IO函数进行实际的读写操作。
二、IO/NIO
2.1. IO包
2.2. JAVA NIO
NIO主要有三大核心部分：Channel（通道）、Buffer（缓冲区）、Selector。传统IO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel和Buffer（缓冲区）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector（选择区）用于监听多个通道的事件（比如：连接打开、数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道。
2.2.1. NIO的缓冲区
Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO的缓存导向方法不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。
2.2.2. NIO的非阻塞
IO的各种流时阻塞的。这就意味着，当一个线程调用read()或者write()时，该线程被阻塞直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。线程通常将非阻塞IO的时间用于在其他通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道。
2.3. Channel
首先说一下Channel，国内大多翻译成“通道”。Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的，譬如:InputStream.OutputStream，而Channel是双向的，即可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。
NIO中的Channel的主要实现有：
- FileChannel
- DatagramChannel
- SocketChannel
- ServerSocketChannel
这里顾名思义：分别可以对应文件IO、UDP和TCP（Server和Client）。
2.4. Buffer
Buffer是缓冲区，实际上是一个容器，是一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入数据都必须经由Buffer。
上图描述了从一个客户端向服务端发送数据，然后服务端接收数据的过程。客户端发送数据时，必须先将数据存入Buffer中，然后将Buffer中的内容写入通道。服务端这边接收数据必须通过Channel将数据读入到Buffer中，然后再从Buffer中取出数据来处理。
在NIO中，Buffer是一个顶层父类，它是一个抽象类，常用的Buffer的子类有：ByteBuffer、IntBuffer、CharBuffer、LongBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、ShortBuffer。
2.5. Selector
Selector类是NIO的核心类，Selector能够检测多个注册的通道上是否有事件发生，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的响应处理。这样一来，只是用一个单线程就可以管理多个通道，也就是管理多个连接。这样使得只有在连接真正有读写事件发生时，才会调用函数来进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程，并且避免了多线程之间的上下文且胡导致的开销。
总结
这里讲了一大堆理论，没有实操还是不行。
