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Java IO/NIO

Owen大约 9 分钟JavaJVM

IO 模型

![Java IO包](images/Java IO包.png)

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，用户线程才会接触 block 状态。典型的阻塞 IO 模型的例子：

data = socket.read();

如果数据没有就绪，那么就会一直阻塞在 read() 方法。

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，就表示数据还没有准备好，于是可以再次发起 read 操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么就会立马将数据拷贝到用户线程，并返回。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 资源，而是会一直占用 CPU。典型的非阻塞 IO 模型如下：

while(true) {
    data = socket.read();
    if(data != error){
        // 处理数据
        break;
    }
}

对于非阻塞 IO 模型有一个很严重的问题，，因此一般情况下很少利用 while 循环配合非阻塞 IO 模型一起使用。

多路复用 IO 模型

多路复用 IO 模型是目前使用得比较多得模型。Java NIO 实际上就是多路复用 IO。在多路复用 IO 模型中，会。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进程或者线程，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。

。

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响应。因此对于多路复用 IO 模型来说，。

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，用户线程接受到信息之后，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。

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，当它受到一个 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的 block。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。整个过程中，用户线程完全不需要知道整个 IO 操作是如何进行的，。

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准备就绪，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。

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，。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，单个线程就可以监听多个数据通道。

![Java NIO网络模型](images/Java NIO网络模型.png)

NIO 和传统 IO 之间第一个最大的区别就是，。

![Java NIO包](images/Java NIO包.png)

NIO 的缓冲区

Java IO 面向流意味着每次从流中读取一个或多个字节，直至读取所有字节，他们没有被缓存在任何地方。此外，他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 的缓冲导向方法不同，他先将数据读取到一个它稍后处理的缓冲区中，需要时可在缓冲区中前后移动操作数据。这增加了数据处理过程中的灵活性。但是，在使用前要检查该缓冲区中是否包含所有你需要处理的数据。并且，需要确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区中尚未被处理的数据。

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，直到有数据被读取，或是数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。NIO 的非阻塞模式，让一个线程从某通道发送请求读取数据，但是只能获取到当前通道中可用数据，如果目前没有数据可以使用，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以在数据变的可以读取使用之前，该线程任然可以继续做其它的事情。非阻塞写也是如此的。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。。

Channel

Channel 和 IO 中的 Stream（流）是差不多一个等级的。，譬如：InputStream、OutputStream，，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：

  1. FileChannel
  2. DatagramChannel
  3. SocketChannel
  4. ServerSocketChannel

这里看名字就可以知道这些实现类的作用，分别对应文件IO、UDP和TCP（Server 和 Client）。

Buffer

Buffer，顾名思义，。Channel 提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer。

缓冲区数据流向
缓冲区数据流向

上面的图描述了从一个客户端向服务器发送数据，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 中的内容写入到通道。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。

Selector

Selector 类是 NIO 的核心类，。这样一来，只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切换导致的开销。

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