Java知识整理5-Java核心（一）Java IO/NIO

概要：

阻塞IO模型

非阻塞IO模型

多路复用IO模型

信号驱动IO模型

异步IO模型

Java IO

Java NIO

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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请求之后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，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，用户线程才解绑block状态。典型的阻塞IO模型的例子为：data = socket.read()；如果数据没有就绪，就会一直阻塞在read方法。

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，而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个Error时，它就知道数据还没准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次受到了用户线程的请求，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模型不会交出CPU，而会一直占用CPU。典型的非阻塞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就有一个严重的问题，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占用率过高，因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。

3、多路复用IO模型

多路复用IO模型是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线程或者进程，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，只有在真正有socket读写事件进行时，才会使用IO资源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为何比非阻塞IO模型的效率高是因为在非阻塞IO中，不断地询问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状态是内核进行的，这个效率比用户线程要高的多。

不过要注意的是，多路复用IO模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达，并且对到达的事件逐一进行相应。因此对于多路复用IO模型来说，一旦事件响应体很大，那么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。

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。

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它的事。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请求一个成功发起了，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操作是如何进行的。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的。然后发送一个信号告知用户线程操作已经完成。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；而在异步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了。

注意：异步IO是需要操作系统的底层支持的，在java7中，提供了Asynchronous IO。

6、Java IO 包

7、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。

NIO和传统IO之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。

7.1、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，他们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动数据中的数据。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的缓冲导向方法不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可以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你需要处理的数据。而且，需要确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未被处理的数据。

7.2、NIO的非阻塞

IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read()或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它的事情。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的空闲时间用于其它通道上执行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（Channel）。

7.3、Java提供的NIO

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，既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

这里看名字就可以猜出个所以然来：分别可以对应文件IO、UDP和TCP（Server和Client）。下面演示的案例基本上就是围绕这4个类型的Channel进行陈述的。

Buffer

Buffer顾名思义：缓冲区，实际上是一个容器，一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读写的数据都必须经过Buffer。如下图：

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。

NIO中的关键Buffer实现有：ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer，分别对应基本数据类型: byte, char, double, float, int, long, short。

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送，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送时，才会调用函数来进行读写，就大大减少了系统开销，并且不必为每个连接创建一个线程，不用去维护多个线程，并且避免了多线程之间上下文切换导致的开销。

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扩展阅读（参考文献）：

Java NIO