Java IO

1、阻塞IO模型

　　传统的IO模型，即在数据读写的过程中会发生阻塞现象。当用户线程发出IO请求之后，内核回去查看数据是否就绪，如果没有就绪就等待数据就绪，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，并返回数据给用户线程，用户线程才解除阻塞状态。典型的阻塞IO模型的例子：data = socket.read();如果数据没有就绪，就会一直阻塞。

2、非阻塞IO模型

　　当用户发出一个read请求之后，不需要等待，会立马得到一个结果，如果这个结果是错误的，它就是知道数据还没有就绪，于是再次发送read操作。一旦内核中的数据准备就绪，又再次收到用户线程的请求，它就立马将数据拷贝给用户线程，然后返回。所以在非阻塞IO模型中，因为用户线程需要不断询问内核数据是否准备就绪，所以整个过程中用户线程不会交出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){ 
        //do something ...
        break;
    }
}

　　这种方式有一个非常严重的问题就是在while循环中用户线程不断循环询问数据是否就绪，导致CPU占用率非常高，因此一般不回使用while循环这种方式读取数据。

3、多路复用IO模型

　　首先解释一下什么是多路复用，多路复用是一种同步IO模型，实现一个线程可以监听多个文件句柄，一旦某个文件句柄就绪，就能够通知应用程序进行相应的读写操作。没有文件句柄就绪时会阻塞应用程序，交出CPU。多路是指网络链接，复用指的是同一个线程。

　　Java中的NIO实际就是多路复用IO。在多路复用IO中，会有一个线程不断去轮询多个socket的状态，只有当这个socket真正读写事件时，才真正调用实际的IO读写操作。因此在多路复用IO中，只需要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，也不必去维护这些进程和线程，并且只有在真正有IO读写操作时，才会调用IO操纵，大大减少了资源的占用。在Java NIO中，是通过selector.selct()去查询每个通道是否有到达事件，如果没有事件，则一直阻塞在哪里，因此这种方式会导致用户线程的阻塞。所以多路复用比较适合连接数比较多的情况。另外多路复用IO模型和非阻塞IO模型相比效率高的原因是在非阻塞IO模型中，不断循环询问socket状态是通过用户线程去进行的。而在多路复用IO模型中，轮询每个socket状态是在内核中进行的。

　　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，一旦事件响应体很大，那么就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请求操作后，会给对应的socket注册一个信号函数，然后用户线程继续执行。当内核数据准备就绪之后，会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号函数之后，便在信号函数中调用IO操作进行实际的IO请求操作。

5、异步IO模型

　　异步IO操作模型中，用户线程发起一个read请求之后，立刻就可以去做其他的事。另外从内核角度，当它收到一个asynchronous read之后，会立即返回，说明read请求发起成功了，不会对用户线程有任何阻塞。然后当内核数据将数据准备就绪之后，会将数据拷贝到用户线程，当一切都完成之后，发送一个信号给用户线程说read请求完成了。也就是说用户线程不用知道实际的IO操作是如何进行的，只需要发送一个read请求，当接收到内核线程的信号时表示IO操作已完成，可以直接使用数据了。

　　也就说在异步 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，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。

6、Java NIO

　　NIO（Non-blocking I/O，在Java领域，也称为New I/O），是一种同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路复用的基础，已经被越来越多地应用到大型应用服务器，成为解决高并发与大量连接、I/O处理问题的有效方式。

　　NIO和IO最大的区别就是NIO是面向缓冲区的，IO是面向流的。NIO核心主要是三大部分：Channel、Buffer、Selector。传统IO是通过字符流和字节流进行操作，而NIO是通过channel和Buffer进行操作。Selector用于监听多个通道事件(比如连接打开、数据到达)。单线程可以监听多个通道。

　　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:

1. FileChannel

2. DatagramChannel

3. SocketChannel

4. ServerSocketChannel

　　而Buffer，故名思意，缓冲区，实际上是一个容器，是一个连续数组。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。

上面的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。

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 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生，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。

posted @ 2020-09-16 16:02 伯爵~ 阅读(140) 评论(0) 编辑收藏举报

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