java进阶8 -「IO」

一 何为IO

I/O（Input/Output） 即输入／输出 。

从计算机结构的角度来解读 I/O :

根据冯.诺依曼结构，计算机结构分为 5 大部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

输入设备（比如键盘）和输出设备（比如显示器）都属于外部设备。网卡、硬盘这种既可以属于输入设备，也可以属于输出设备。

输入设备向计算机输入数据，输出设备接收计算机输出的数据。

从计算机结构的视角来看的话， I/O 描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程。

 

从应用程序的角度来解读 I/O :

我们知道为了保证操作系统的稳定性和安全性，一个进程的地址空间划分为 用户空间 和 内核空间

像我们平常运行的应用程序都是运行在用户空间，只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关的操作，比如文件管理、进程通信、内存管理等等。也就是说，我们想要进行 IO 操作，一定是要依赖内核空间的能力。

并且，用户空间的程序不能直接访问内核空间。因此，用户进程想要执行 IO 操作的话，必须通过 系统调用 来间接访问内核空间

我们在平常接触最多的就是 磁盘 IO（读写文件） 和 网络 IO（网络请求和响应）。

从应用程序的视角来看的话，我们的应用程序对操作系统的内核发起 IO 调用（系统调用），操作系统负责的内核执行具体的 IO 操作。也就是说，我们的应用程序实际上只是发起了 IO 操作的调用而已，具体 IO 的执行是由操作系统的内核来完成的。

当应用程序发起 I/O 调用后，会经历两个步骤：

1. 内核等待 I/O 设备准备好数据
2. 内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。

 

 

二 Java中3种常见IO模型

2.1 BIO (Blocking IO) - 同步阻塞IO

BIO 属于同步阻塞 IO 模型 。同步阻塞 IO 模型中，应用程序发起 read 调用后，会一直阻塞，直到内核把数据拷贝到用户空间。

在客户端连接数量不高的情况下，是没问题的。但是，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的 BIO 模型是无能为力的。因此，我们需要一种更高效的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。

 

 

2.2 NIO (Non-blocking IO) - 同步非阻塞IO

Java 中的NIO对应java.nio包，提供了 Buffer，Channel , Selector等抽象。NIO 中的 N 可以理解为 Non-blocking。它是支持面向缓冲的，基于通道的 I/O 操作方法。 适用于高负载、高并发的应用

Java 中的 NIO 可以看作是 I/O 多路复用模型。也有很多人认为，Java 中的 NIO 属于同步非阻塞 IO 模型。

我们先来看看同步非阻塞 IO 模型。

同步非阻塞 IO 模型中，应用程序会一直发起 read 调用，等待数据从内核空间拷贝到用户空间的这段时间里，线程依然是阻塞的，直到在内核把数据拷贝到用户空间。

相比于同步阻塞 IO 模型，同步非阻塞 IO 模型确实有了很大改进。通过轮询操作，避免了一直阻塞。

但是，这种 IO 模型同样存在问题：应用程序不断进行 I/O 系统调用轮询数据是否已经准备好的过程是十分消耗 CPU 资源的。这个时候，I/O 多路复用模型 就上场了。

IO 多路复用模型中，线程首先发起 select 调用，询问内核数据是否准备就绪，等内核把数据准备好了，用户线程再发起 read 调用。read 调用的过程（数据从内核空间 -> 用户空间）还是阻塞的。

目前支持 IO 多路复用的系统调用，有 select，epoll 等等。select 系统调用，目前几乎在所有的操作系统上都有支持。

• select 调用：内核提供的系统调用，它支持一次查询多个系统调用的可用状态。几乎所有的操作系统都支持。
• epoll 调用：linux 2.6 内核，属于 select 调用的增强版本，优化了 IO 的执行效率。

IO 多路复用模型，通过减少无效的系统调用，减少了对 CPU 资源的消耗。

Java 中的 NIO ，有一个非常重要的选择器 ( Selector ) 的概念，也可以被称为 多路复用器。通过它，只需要一个线程便可以管理多个客户端连接。当客户端数据到了之后，才会为其服务。

 

 

2.3 AIO (Asynchronous IO) - 异步IO

AIO 也就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步 IO 模型。

异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

目前来说 AIO 的应用还不是很广泛。Netty 之前也尝试使用过 AIO，不过又放弃了。这是因为，Netty 使用了 AIO 之后，在 Linux 系统上的性能并没有多少提升。

 

最后，来一张图，简单总结一下 Java 中的 BIO、NIO、AIO。

⚠️需要注意：使用 NIO 并不一定意味着高性能，它的性能优势主要体现在高并发和高延迟的网络环境下。当连接数较少、并发程度较低或者网络传输速度较快时，NIO 的性能并不一定优于传统的 BIO 。

 

 

 

三 NIO核心组件

NIO 主要包括以下三个核心组件：

• Buffer（缓冲区）：NIO 读写数据都是通过缓冲区进行操作的。读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。
• Channel（通道）：Channel 是一个双向的、可读可写的数据传输通道，NIO 通过 Channel 来实现数据的输入输出。通道是一个抽象的概念，它可以代表文件、套接字或者其他数据源之间的连接。
• Selector（选择器）：允许一个线程处理多个 Channel，基于事件驱动的 I/O 多路复用模型。所有的 Channel 都可以注册到 Selector 上，由 Selector 来分配线程来处理事件。

三者的关系如下图所示：

 

3.1 Buffer（缓冲区）

在传统的 BIO 中，数据的读写是面向流的， 分为字节流和字符流。

在 Java 1.4 的 NIO 库中，所有数据都是用缓冲区处理的，这是新库和之前的 BIO 的一个重要区别，有点类似于 BIO 中的缓冲流。NIO 在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的。在写入数据时，写入到缓冲区中。 使用 NIO 在读写数据时，都是通过缓冲区进行操作。

Buffer 的子类如下图所示。其中，最常用的是 ByteBuffer，它可以用来存储和操作字节数据。

你可以将 Buffer 理解为一个数组，IntBuffer、FloatBuffer、CharBuffer 等分别对应 int[]、float[]、char[] 等。

 

 

3.2 Channer（通道）

Channel 是一个通道，它建立了与数据源（如文件、网络套接字等）之间的连接。我们可以利用它来读取和写入数据，就像打开了一条自来水管，让数据在 Channel 中自由流动。

BIO 中的流是单向的，分为各种 InputStream（输入流）和 OutputStream（输出流），数据只是在一个方向上传输。通道与流的不同之处在于通道是双向的，它可以用于读、写或者同时用于读写。

Channel 与前面介绍的 Buffer 打交道，读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。

Channel 和 Buffer之间的关系

另外，因为 Channel 是全双工的，所以它可以比流更好地映射底层操作系统的 API。特别是在 UNIX 网络编程模型中，底层操作系统的通道都是全双工的，同时支持读写操作。

 

Channel 最核心的两个方法：

1. read ：读取数据并写入到 Buffer 中。
2. write ：将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。

这里我们以 FileChannel 为例演示一下是读取文件数据的。

RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("/Users/guide/Documents/test_read.in", "r"))
FileChannel channel = reader.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer);

 

3.3 Selector（选择器）

Selector是NIO中的一个关键组件，它允许一个线程处理多个Channel。Selector 是基于事件驱动的 I/O 多路复用模型，主要运作原理是：通过Selector注册通道的事件，Selector会不断地轮询注册在其上的Channel。当事件发生时，比如：某个Channel上面有新的TCP连接接入、读和写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来。Selector会将相关的Channel加入到就绪集合中。通过SelectionKey可以获取就绪Channel的集合，然后对这些就绪的Channel进行响应的I/O操作。

Selector 选择器工作示意图

 

一个多路复用器 Selector 可以同时轮询多个 Channel，由于 JDK 使用了 epoll() 代替传统的 select 实现，所以它并没有最大连接句柄 1024/2048 的限制。这也就意味着只需要一个线程负责 Selector 的轮询，就可以接入成千上万的客户端。

Selector 可以监听以下四种事件类型：

1. SelectionKey.OP_ACCEPT：表示通道接受连接的事件，这通常用于 ServerSocketChannel。
2. SelectionKey.OP_CONNECT：表示通道完成连接的事件，这通常用于 SocketChannel。
3. SelectionKey.OP_READ：表示通道准备好进行读取的事件，即有数据可读。
4. SelectionKey.OP_WRITE：表示通道准备好进行写入的事件，即可以写入数据。

Selector是抽象类，可以通过调用此类的 open() 静态方法来创建 Selector 实例。Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，是非阻塞 IO 的核心。

一个 Selector 实例有三个 SelectionKey 集合：

1. 所有的 SelectionKey 集合：代表了注册在该 Selector 上的 Channel，这个集合可以通过 keys() 方法返回。
2. 被选择的 SelectionKey 集合：代表了所有可通过 select() 方法获取的、需要进行 IO 处理的 Channel，这个集合可以通过 selectedKeys() 返回。
3. 被取消的 SelectionKey 集合：代表了所有被取消注册关系的 Channel，在下一次执行 select() 方法时，这些 Channel 对应的 SelectionKey 会被彻底删除，程序通常无须直接访问该集合，也没有暴露访问的方法。

简单演示一下如何遍历被选择的 SelectionKey 集合并进行处理：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();
    if (key != null) {
        if (key.isAcceptable()) {
            // ServerSocketChannel 接收了一个新连接
        } else if (key.isConnectable()) {
            // 表示一个新连接建立
        } else if (key.isReadable()) {
            // Channel 有准备好的数据，可以读取
        } else if (key.isWritable()) {
            // Channel 有空闲的 Buffer，可以写入数据
        }
    }
    keyIterator.remove();
}

 

 

使用 Selector 实现网络读写的简单示例： 

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NioSelectorExample {

  public static void main(String[] args) {
    try {
      ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
      serverSocketChannel.configureBlocking(false);
      serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));

      Selector selector = Selector.open();
      // 将 ServerSocketChannel 注册到 Selector 并监听 OP_ACCEPT 事件
      serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

      while (true) {
        int readyChannels = selector.select();

        if (readyChannels == 0) {
          continue;
        }

        Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
        Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();

        while (keyIterator.hasNext()) {
          SelectionKey key = keyIterator.next();

          if (key.isAcceptable()) {
            // 处理连接事件
            ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel client = server.accept();
            client.configureBlocking(false);

            // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_READ 事件
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
          } else if (key.isReadable()) {
            // 处理读事件
            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int bytesRead = client.read(buffer);

            if (bytesRead > 0) {
              buffer.flip();
              System.out.println("收到数据：" +new String(buffer.array(), 0, bytesRead));
              // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_WRITE 事件
              client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
            } else if (bytesRead < 0) {
              // 客户端断开连接
              client.close();
            }
          } else if (key.isWritable()) {
            // 处理写事件
            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, Client!".getBytes());
            client.write(buffer);

            // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_READ 事件
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
          }

          keyIterator.remove();
        }
      }
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

在示例中，我们创建了一个简单的服务器，监听 8080 端口，使用 Selector 处理连接、读取和写入事件。当接收到客户端的数据时，服务器将读取数据并将其打印到控制台，然后向客户端回复 "Hello, Client!"。

 

NIO 零拷贝

零拷贝是提升 IO 操作性能的一个常用手段，像Kafka 、RocketMQ、Netty 等顶级开源项目都用到了零拷贝。

零拷贝是指计算机执行 IO 操作时，CPU 不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域，从而可以减少上下文切换以及 CPU 的拷贝时间。也就是说，零拷贝主主要解决操作系统在处理 I/O 操作时频繁复制数据的问题。零拷贝的常见实现技术有： mmap+write、sendfile和 sendfile + DMA gather copy