1.基本概念

IO是主存和外部設(shè)備(硬盤(pán)、終端和網(wǎng)絡(luò)等)拷貝數(shù)據(jù)的過(guò)程。IO是操作系統(tǒng)的底層功能實(shí)現(xiàn)，底層通過(guò)I/O指令進(jìn)行完成。

所有語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)提供執(zhí)行I/O較高級(jí)別的工具。(c的printfscanf,java的面向?qū)ο蠓庋b)

2.Java標(biāo)準(zhǔn)io回顧

Java標(biāo)準(zhǔn)IO類(lèi)庫(kù)是io面向?qū)ο蟮囊环N抽象?；诒镜胤椒ǖ牡讓訉?shí)現(xiàn)，我們無(wú)須關(guān)注底層實(shí)現(xiàn)。InputStream\OutputStream(字節(jié)流)：一次傳送一個(gè)字節(jié)。Reader\Writer(字符流)：一次一個(gè)字符。

3.nio簡(jiǎn)介

nio是javaNewIO的簡(jiǎn)稱(chēng)，在jdk1.4里提供的新api。Sun官方標(biāo)榜的特性如下：

–為所有的原始類(lèi)型提供(Buffer)緩存支持。

–字符集編碼解碼解決方案。

–Channel：一個(gè)新的原始I/O抽象。

–支持鎖和內(nèi)存映射文件的文件訪問(wèn)接口。

–提供多路(non-bloking)非阻塞式的高伸縮性網(wǎng)絡(luò)I/O。

本文將圍繞這幾個(gè)特性進(jìn)行學(xué)習(xí)和介紹。

4.Buffer&Chanel

Channel和buffer是NIO是兩個(gè)最基本的數(shù)據(jù)類(lèi)型抽象。

Buffer:

–是一塊連續(xù)的內(nèi)存塊。

–是NIO數(shù)據(jù)讀或?qū)懙闹修D(zhuǎn)地。

Channel:

–數(shù)據(jù)的源頭或者數(shù)據(jù)的目的地

–用于向buffer提供數(shù)據(jù)或者讀取buffer數(shù)據(jù),buffer對(duì)象的唯一接口。

–異步I/O支持

例子 1:CopyFile.java:

package sample;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class CopyFile {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		String infile = "C:\\copy.sql";
		String outfile = "C:\\copy.txt";
		// 獲取源文件和目標(biāo)文件的輸入輸出流 
		FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
		FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);
		// 獲取輸入輸出通道 
		FileChannel fcin = fin.getChannel();
		FileChannel fcout = fout.getChannel();
		// 創(chuàng)建緩沖區(qū) 
		ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
		while (true) {
			// clear方法重設(shè)緩沖區(qū)，使它可以接受讀入的數(shù)據(jù) 
			buffer.clear();
			// 從輸入通道中將數(shù)據(jù)讀到緩沖區(qū) 
			int r = fcin.read(buffer);
			// read方法返回讀取的字節(jié)數(shù)，可能為零，如果該通道已到達(dá)流的末尾，則返回-1 
			if (r == -1) {
				break;
			}
			// flip方法讓緩沖區(qū)可以將新讀入的數(shù)據(jù)寫(xiě)入另一個(gè)通道 
			buffer.flip();
			// 從輸出通道中將數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū) 
			fcout.write(buffer);
		}
	}
}

其中 buffer 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下 ( 下圖拷貝自資料 ):

圖2：buffer內(nèi)部結(jié)構(gòu)

一個(gè)buffer主要由position,limit,capacity三個(gè)變量來(lái)控制讀寫(xiě)的過(guò)程。此三個(gè)變量的含義見(jiàn)如下表格：

Buffer常見(jiàn)方法：

flip():寫(xiě)模式轉(zhuǎn)換成讀模式

rewind()：將position重置為0，一般用于重復(fù)讀。

clear()：清空buffer，準(zhǔn)備再次被寫(xiě)入(position變成0，limit變成capacity)。

compact():將未讀取的數(shù)據(jù)拷貝到buffer的頭部位。

mark()、reset():mark可以標(biāo)記一個(gè)位置，reset可以重置到該位置。

Buffer常見(jiàn)類(lèi)型：ByteBuffer、MappedByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer。

channel常見(jiàn)類(lèi)型:FileChannel、DatagramChannel(UDP)、SocketChannel(TCP)、ServerSocketChannel(TCP)

在本機(jī)上面做了個(gè)簡(jiǎn)單的性能測(cè)試。我的筆記本性能一般。(具體代碼可以見(jiàn)附件。見(jiàn)nio.sample.filecopy包下面的例子)以下是參考數(shù)據(jù)：

–場(chǎng)景1：Copy一個(gè)370M的文件

–場(chǎng)景2:三個(gè)線(xiàn)程同時(shí)拷貝，每個(gè)線(xiàn)程拷貝一個(gè)370M文件

5.nio.charset

字符編碼解碼:字節(jié)碼本身只是一些數(shù)字，放到正確的上下文中被正確被解析。向ByteBuffer中存放數(shù)據(jù)時(shí)需要考慮字符集的編碼方式，讀取展示ByteBuffer數(shù)據(jù)時(shí)涉及對(duì)字符集解碼。

Java.nio.charset提供了編碼解碼一套解決方案。

以我們最常見(jiàn)的http請(qǐng)求為例，在請(qǐng)求的時(shí)候必須對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行正確的編碼。在得到響應(yīng)時(shí)必須對(duì)響應(yīng)進(jìn)行正確的解碼。

以下代碼向baidu發(fā)一次請(qǐng)求，并獲取結(jié)果進(jìn)行顯示。例子演示到了charset的使用。

例子2BaiduReader.java

package nio.readpage;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.io.IOException;
public class BaiduReader {
	private Charset charset = Charset.forName("GBK");
	// 創(chuàng)建GBK字符集 
	private SocketChannel channel;
	public void readHTMLContent() {
		try {
			InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress( 
			"www.baidu.com", 80);
			//step1:打開(kāi)連接 
			channel = SocketChannel.open(socketAddress);
			//step2:發(fā)送請(qǐng)求，使用GBK編碼 
			channel.write(charset.encode("GET " + "/ HTTP/1.1" + "\r\n\r\n"));
			//step3:讀取數(shù)據(jù) 
			ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
			// 創(chuàng)建1024字節(jié)的緩沖 
			while (channel.read(buffer) != -1) {
				buffer.flip();
				// flip方法在讀緩沖區(qū)字節(jié)操作之前調(diào)用。 
				System.out.println(charset.decode(buffer));
				// 使用Charset.decode方法將字節(jié)轉(zhuǎn)換為字符串 
				buffer.clear();
				// 清空緩沖
			}
		}
		catch (IOException e) {
			System.err.println(e.toString());
		}
		finally {
			if (channel != null) {
				try {
					channel.close();
				}
				catch (IOException e) {
				}
			}
		}
	}
	public static void main(String[] args) {
		new BaiduReader().readHTMLContent();
	}
}

6.非阻塞IO

關(guān)于非阻塞IO將從何為阻塞、何為非阻塞、非阻塞原理和異步核心API幾個(gè)方面來(lái)理解。

何為阻塞？

一個(gè)常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)IO通訊流程如下:

從該網(wǎng)絡(luò)通訊過(guò)程來(lái)理解一下何為阻塞:

在以上過(guò)程中若連接還沒(méi)到來(lái)，那么accept會(huì)阻塞,程序運(yùn)行到這里不得不掛起，CPU轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他線(xiàn)程。

在以上過(guò)程中若數(shù)據(jù)還沒(méi)準(zhǔn)備好，read會(huì)一樣也會(huì)阻塞。

阻塞式網(wǎng)絡(luò)IO的特點(diǎn)：多線(xiàn)程處理多個(gè)連接。每個(gè)線(xiàn)程擁有自己的?？臻g并且占用一些CPU時(shí)間。每個(gè)線(xiàn)程遇到外部為準(zhǔn)備好的時(shí)候，都會(huì)阻塞掉。阻塞的結(jié)果就是會(huì)帶來(lái)大量的進(jìn)程上下文切換。且大部分進(jìn)程上下文切換可能是無(wú)意義的。比如假設(shè)一個(gè)線(xiàn)程監(jiān)聽(tīng)一個(gè)端口，一天只會(huì)有幾次請(qǐng)求進(jìn)來(lái)，但是該cpu不得不為該線(xiàn)程不斷做上下文切換嘗試，大部分的切換以阻塞告終。

何為非阻塞？

下面有個(gè)隱喻：

一輛從A開(kāi)往B的公共汽車(chē)上，路上有很多點(diǎn)可能會(huì)有人下車(chē)。司機(jī)不知道哪些點(diǎn)會(huì)有哪些人會(huì)下車(chē)，對(duì)于需要下車(chē)的人，如何處理更好？

1.司機(jī)過(guò)程中定時(shí)詢(xún)問(wèn)每個(gè)乘客是否到達(dá)目的地，若有人說(shuō)到了，那么司機(jī)停車(chē)，乘客下車(chē)。(類(lèi)似阻塞式)

2.每個(gè)人告訴售票員自己的目的地，然后睡覺(jué)，司機(jī)只和售票員交互，到了某個(gè)點(diǎn)由售票員通知乘客下車(chē)。(類(lèi)似非阻塞)

很顯然，每個(gè)人要到達(dá)某個(gè)目的地可以認(rèn)為是一個(gè)線(xiàn)程，司機(jī)可以認(rèn)為是CPU。在阻塞式里面，每個(gè)線(xiàn)程需要不斷的輪詢(xún)，上下文切換，以達(dá)到找到目的地的結(jié)果。而在非阻塞方式里，每個(gè)乘客(線(xiàn)程)都在睡覺(jué)(休眠)，只在真正外部環(huán)境準(zhǔn)備好了才喚醒，這樣的喚醒肯定不會(huì)阻塞。

非阻塞的原理

把整個(gè)過(guò)程切換成小的任務(wù)，通過(guò)任務(wù)間協(xié)作完成。

由一個(gè)專(zhuān)門(mén)的線(xiàn)程來(lái)處理所有的IO事件，并負(fù)責(zé)分發(fā)。

事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制：事件到的時(shí)候觸發(fā)，而不是同步的去監(jiān)視事件。

線(xiàn)程通訊：線(xiàn)程之間通過(guò)wait,notify等方式通訊。保證每次上下文切換都是有意義的。減少無(wú)謂的進(jìn)程切換。

以下是異步IO的結(jié)構(gòu)：

Reactor就是上面隱喻的售票員角色。每個(gè)線(xiàn)程的處理流程大概都是讀取數(shù)據(jù)、解碼、計(jì)算處理、編碼、發(fā)送響應(yīng)。

異步IO核心API

Selector

異步IO的核心類(lèi)，它能檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)通道(channel)上的事件，并將事件分發(fā)出去。

使用一個(gè)select線(xiàn)程就能監(jiān)聽(tīng)多個(gè)通道上的事件，并基于事件驅(qū)動(dòng)觸發(fā)相應(yīng)的響應(yīng)。而不需要為每個(gè)channel去分配一個(gè)線(xiàn)程。

SelectionKey

包含了事件的狀態(tài)信息和時(shí)間對(duì)應(yīng)的通道的綁定。

總結(jié)

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