JAVA几种IO工作机制及特点(二)

1.什么是IO?

1.1 什么是流?

 IO在本质上是单个字节的移动，而流可以说是字节移动的载体和方式，它不停的向目标处移动数据，我们要做的就是根据流的方向从流中读取数据或者向流中写入数据。最简单的Java流的例子就是下载电影，肯定不是等电影全部下载在内存中再保存到磁盘上，本质上是下载一个字节就保存一个字节。

　　一个流，必有源和目标，它们可以是计算机内存的某些区域，也可以是磁盘文件，甚至可以是Internet上的某个URL。流的方向是重要的，根据流的方向，流可分为两类：输入流和输出流。我们从输入流读取数据，向输出流写入数据。

     Java传统的io是基于流的io即BIO(同步阻塞IO)，从jdk1.4开始提供基于块的io，即nio即同步非阻塞IO，到jdk1.7之后出现aio 异步非阻塞IO。

 

1.2 IO分类

Java对io的支持主要集中在io包下，显然可以分为下面两类：

1. 基于字节操作的io接口：InputStream 和 OutputStream

2. 基于字符操作的io接口：Writer 和 Reader

不管磁盘还是网络传输，最小的存储单位都是字节，但是程序中操作的数据大多都是字符形式的，所以Java也提供了字符型的流。流并不等于io，还有很重要的一点,数据的传输方式，也就是数据写到哪里的问题，主要是以下两种：

1. 基于磁盘操作的io接口：File

2. 基于网络操作的io接口：Socket

 

到jdk1.4以后 出现socketChannel 管道，支持 select poll epoll等通讯方式。 

 

1.3 磁盘IO和网络IO工作机制

1.3.1 磁盘IO-file

io中数据写到何处也是重要的一点，其中最主要的就是将数据持久化到磁盘。数据在磁盘上最小的描述就是文件，上层应用对磁盘的读和写都是针对文件而言的在java中，以File类来表示文件，如：

 

File file = new File("D:/test.txt");

 

　　但是严格来说，File并不表示一个真实的存在于磁盘上的文件。就像上面代码的文件其实并不存在，File做的只是根据你所提供的文件描述符，返回某一路径的虚拟对象，它并不关心文件或路径是否存在，可能存在，也可能是捏造的。就好象一张名片，名片的背后代表的是人。为什么要这么设计？

以FileInputStream读取文件为例，过程是这样的：当传入一个文件路径时，会根据这个路径创建File对象，作为这个文件的一个“名片”。当我们试图通过FileInputStream对象去操作文件的时候，将会真正创建一个关联真实存在的磁盘文件的文件描述符FileDescriptor，通过FileInputStream构造方法可以看出：

 

fd = new FileDescriptor(); 

 

　　如果说File是文件的名片，那么FileDescriptor就是真正指向了一个打开的文件，可以操作磁盘文件。例如FileDescriptor.sync()方法可以将缓存中的数据强制刷新到磁盘文件中。如果我们需要读取的是字符，还需要通过StreamDecoder类将字节解码成字符。至于如何从物理磁盘上读取数据，那就是操作系统做的事情了。 

1.3.2 网络io-socket

大部分情况下我们使用的都是基于TCP/IP协议的流Socket，因为它是一种稳定的通信协议。Socket就像一个插座，计算机通过Socket就能和网络或者其他计算机上进行通讯；当有数据通讯的需求时，只需要建立一个Socket“插座”，通过网卡与其他计算机相连获取数据。

　　Socket位于传输层和应用层之间，向应用层统一提供编程接口，应用层不必知道传输层的协议细节。Java中对Socket的支持主要是以下两种：

　　(1)基于TCP的Socket:提供给应用层可靠的流式数据服务，使用TCP的Socket应用程序协议：BGP，HTTP，FTP，TELNET等。优点：基于数据传输的可靠性。

　　(2)基于UDP的Socket：适用于数据传输可靠性要求不高的场合。基于UDP的Socket应用程序协议：RIP，SNMP，L2TP等。

面向连接的套接字的系统调用时序图：

无连接协议的套接字调用时序图

 

1.4 为什么要使用NIO?

现在互联网提供的在线服务都是走网络I/O，那么对于网络I/O，传统的阻塞式I/O，一个线程对应一个连接，采用线程池的模式在大部分场景下简单高效。当有大量的连接的时候，我们可以为每一个连接建立一个线程来操作。但是这种做法带来的缺陷也是显而易见的：

• 硬件能够支持大量的并发。

• 并发的数量始终有一个上限。

• 各个线程之间的优先级不好控制。

• 各个Client之间的交互与同步困难。

我们也可以使用一个线程来处理所有的请求，使用不阻塞的IO，轮询查询所有的Client。这种做法同样也有缺陷：无法迅速响应Client端，同时会消耗大量轮询查询的时间。所以，我们需要一种poll的模式来处理这种情况，从大量的网络连接中找出来真正需要服务的Client。这正是NIO诞生的原因：提供一种Poll的模式，在所有的Client中找到需要服务的Client,现在支持epoll。JDK中，有一个非常有意思的库：NIO（New I/O）。这个库中有3个重要的类，分别是java.nio.channels中Selector和Channel，以及java.nio中的Buffer。

1.Channel代表一个可以被用于Poll操作的对象（可以是文件流/网络流），Channel能够被注册到一Selector中。

2.通过调用Selector的select方法可以从所有的Channel中找到需要服务的实例（Accept，read ..）。

3.Buffer对象提供读写数据的缓存。对于我们熟悉的Stream对象，Buffer提供更好的性能以及更好的编程透明性（人为控制缓存的大小以及具体的操作）。

 

 

2.BIO NIO AIO是什么，有什么特点?

这里主要讨论的是网络IO：

1.首先需要提到BIO中socket，这里面的阻塞点 accept 等待连接 ，read/write数据.

 

 

 

2.在说说NIO是中socketChannel   accept不会阻塞，而是交给一个线程去接收所有连接，将所有连接放到一个缓存队列上；最终会通过selector（可以看做是监听器）监听所有客户端的连接数据请求，会调用doselect()方法(阻塞点) 通知分发到（dispatch)到真正操作数据读写的业务线程池里，进行数据处理。

看看dubbo rpc的io处理机制：

 

3.阻塞/非阻塞，同步/异步 ?

3.1 阻塞（blocking）与非阻塞（non-blocking）IO

 

　　IO的阻塞、非阻塞主要表现在一个IO操作过程中，如果有些操作很慢，比如读操作时需要准备数据，那么当前IO进程是否等待操作完成，还是得知暂时不能操作后先去做别的事情？一直等待下去，什么事也不做直到完成，这就是阻塞。抽空做些别的事情，这是非阻塞。

　　非阻塞IO会在发出IO请求后立即得到回应，即使数据包没有准备好，也会返回一个错误标识，使得操作进程不会阻塞在那里。操作进程会通过多次请求的方式直到数据准备好，返回成功的标识。

 

3.2同步（synchronous）与异步（asynchronous）IO

　　先来看看正式点的定义，POSIX标准将IO模型分为了两种：同步IO和异步IO，Richard Stevens在《Unix网络编程卷》中也总结道：

 

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operationcompletes;An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

 

　　可以看出，判断同步和异步的标准在于：一个IO操作直到完成，是否导致程序进程的阻塞。如果阻塞就是同步的，没有阻塞就是异步的。这里的IO操作指的是真实的IO操作，也就是数据从内核拷贝到系统进程（读）的过程。

 

 

 

参考：

1.细说JAVA IO

2.IO阻塞与非阻塞