Java IO与NIO

版权声明：本文为博主原创文章，未经博主允许不得转载。 https://blog.csdn.net/z785495295/article/details/83477789

Linux IO流程

lLinux IO流程：

等待数据准备好（Waiting for the data to be ready）

从内核向进程复制数据（Copying the data from the kernel to the process）

Linux IO模型

l《Unix网络编程》

UNIX网络编程的经典之作

l将I/O模型划分为以下五种类型：

 阻塞式I/O模型

非阻塞式I/O模型

I/O复用模型

一次观察多个I/O进程，等待哪个进程好了就调用哪个进程

信号驱动式I/O模型

异步I/O模型

各种I/O模型的比较

同步 vs 异步

• 阻塞式I/O模型
• 非阻塞式I/O模型
• I/O复用
• 信号驱动式I/O
• 异步I/O

lPOSIX标准将同步I/O和异步I/O定义为：

同步I/O操作：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。

异步I/O操作：不导致请求进程阻塞。
Blocking I/O

 Single Thread  Server （阻塞模式）  

MultiThread Server （非阻塞模式）

新来一个就新建一个线程

非阻塞模式升级，增加线程池处理，线程交付线程池管理

• ServerSocket
• Socket
  

Java NIO概览——变迁

• NIO = New I/O
• NIO 1: JSR 51
  • JDK 1.4引入
  • http://jcp.org/en/jsr/detail?id=051

NIO 2: JSR203

• JDK 7
• http://jcp.org/en/jsr/detail?id=203

Java IO vs NIO

Java NIO

• NIO
  • Buffers
  • Channels
  • Selectors
• NIO 2.0
  • Update
  • New File System API
  • Asynchronous I/O

Java NIO 主要由下面3部分核心组件组成：

• Buffer
• Channel
• Selector

Java NIO Buffer

Java NIO Buffer

• 一个 Buffer 本质上是内存中的一块， 可以将数据写入这块内存， 从这块内存获取数据
• java.nio 定义了以下几个 Buffer 的实现

Java NIO Buffer三大核心概念：position、limit、capacity

• 最好理解的当然是 capacity，它代表这个缓冲区的容量，一旦设定就不可以更改。比如 capacity 为 1024 的 IntBuffer，代表其一次可以存放 1024 个 int 类型的值。
• 一旦 Buffer 的容量达到 capacity，需要清空 Buffer，才能重新写入值。

从写操作模式到读操作模式切换的时候（flip），position 都会归零，这样就可以从头开始读写了。

写操作模式下，limit 代表的是最大能写入的数据，这个时候 limit 等于 capacity。

写结束后，切换到读模式，此时的 limit 等于 Buffer 中实际的数据大小，因为 Buffer 不一定被写满了。

java.nio.buffer,缓冲区抽象

ByteBuffer

• 理解capacity、limit、position、mark
• 0 – mark – position – limit – capacity

Direct ByteBuffer VS. non-direct ByteBuffer

Non-direct ByteBuffer

• HeapByteBuffer,标准的java类

• 维护一份byte[]在JVM堆上

• 创建开销小

Direct ByteBuffer

• 底层存储在非JVM堆上,通过native代码操作

• -XX:MaxDirectMemorySize=<size>

• 创建开销大

两种类型的ByteBuffer

	DirectByteBuffer	HeapByteBuffer
创建开销	大	小
存储位置	Native heap	Java heap
数据拷贝	无需临时缓冲区做拷贝	拷贝到临时DirectByteBuffer,但临时缓冲区使用缓存。 聚集写/发散读时没有缓存临时缓冲区。
GC影响	每次创建或者释放的时候 都调用一次System.gc()

Buffer Basic Operations

• Creating
  • allocate/allocateDirect方法
  • warp
• Filling and Draining
• Flipping and Rewind
• Marking
• Comparing
• Duplication

Java NIO Channel

所有的 NIO 操作始于通道，通道是数据来源或数据写入的目的地，主要地， java.nio 包中主要实现的以下几个 Channel：

 

• FileChannel：文件通道，用于文件的读和写
• DatagramChannel：用于 UDP 连接的接收和发送
• SocketChannel：把它理解为 TCP 连接通道，简单理解就是 TCP 客户端
• ServerSocketChannel：TCP 对应的服务端，用于监听某个端口进来的请求

Java NIO Selector

Selector是Java NIO中的一个组件，用于检查一个或多个NIO Channel的状态是否处于可读、可写

如此可以实现单线程管理多个channels,也就是可以管理多个网络链接

• java.nio.channels.Selector
• 支持IO多路复用的抽象实体
• 注册Seletable Channel
• SelectionKey —— 表示Selector和被注册的channel之间关系,一份凭证
  • SelectionKey 保存channel感兴趣的事件
• Selector.select 更新所有就绪的SelectionKey的状态,并返回就绪的channel个数
  • 迭代Selected Key集合并处理就绪channel

创建Selector(Creating a Selector)

Selector selector = Selector.open();

注册Channel到Selector上(Registering Channels with the Selector)

channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

register的第二个参数，这个参数是一个“关注集合”，代表关注的channel状态，

有四种基础类型可供监听, 用SelectionKey中的常量表示如下：

SelectionKey.OP_CONNECT
SelectionKey.OP_ACCEPT
SelectionKey.OP_READ
SelectionKey.OP_WRITE

从Selector中选择channel(Selecting Channels via a Selector)

• 一旦向Selector注册了一个或多个channel后，就可以调用select来获取channel
• select方法会返回所有处于就绪状态的channel
• select方法具体如下：
  • int select()
  • int select(long timeout)
  • int selectNow()

• select()方法的返回值是一个int，代表有多少channel处于就绪了。也就是自上一次select后有多少channel进入就绪。

• selectedKeys()

  • 在调用select并返回了有channel就绪之后，可以通过选中的key集合来获取channel，

• 这个操作通过调用selectedKeys()方法：

  Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
  
  Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
  
  while(keyIterator.hasNext()) {
  
      SelectionKey key = keyIterator.next();
  
      if(key.isAcceptable()) {
          // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
  
      } else if (key.isConnectable()) {
          // a connection was established with a remote server.
  
      } else if (key.isReadable()) {
          // a channel is ready for reading
  
      } else if (key.isWritable()) {
          // a channel is ready for writing
      }
  
      keyIterator.remove();
  }

   

NIO带来了什么

事件驱动模型

• 避免多线程
• 单线程处理多任务

非阻塞IO,IO读写不再阻塞,而是返回0

基于block的传输,通常比基于流的传输更高效

更高级的IO函数,zero-copy

IO多路复用大大提高了java网络应用的可伸缩性和实用性

NIO Tips

• •使用NIO = 高性能
  • NIO不一定更快的场景
    • 客户端应用
    • 连接数<1000
    • 并发程度不高
    • 局域网环境下
• •NIO完全屏蔽了平台差异
  • NIO仍然是基于各个OS平台的IO系统实现的,差异仍然存在
• •使用NIO做网络编程很容易
  • 离散的事件驱动模型，编程困难
  • 陷阱重重
• Netty简化NIO编程