Java NIO学习小结

前面一篇主要学习了下IO的流式操作，接下来就是重头戏了，NIO，又称为New IO

当然也是得抱着问题来学习这个东西了，希望可以通过本文，可以学习到：

• 什么是NIO
• NIO相比较与IO有什么特点
• 同步，非同步，阻塞，非阻塞是什么鬼
• 几种IO模型

I. 基本概念

首先理解下什么是同步IO,非同步IO，什么是阻塞IO，非阻塞IO，它们两对的主要区别是什么；其次就是五种IO模型

1. 同步/非同步IO

a. 同步IO

同步，主要是多个线程的执行中，对彼此的执行结果有依赖，即某个线程的执行，必须要求他依赖的线程二执行完毕

同步IO，表示在发起IO操作之后，如果数据没有准备就绪，就需要用户线程轮询的去询问是否准备好，只有准备好之后，将数据从内核拷贝到用户线程

b. 异步IO

异步，指多个任务可以并发的执行，他们比吃执行结果，是否执行完毕对其他都没有影响

异步IO，用户线程发起IO操作，该用户线程可以继续执行其他的事情；剩下的数据是否准备完毕，准备完毕之后从内核拷贝到用户都有内核自动完成

c. 区别

同步IO和异步IO的主要区别就在于：

• 用户线程发起IO操作之后，是否可以干其他的事情（同步IO需要轮询判断数据是否准备就绪；异步IO不需关心）
• 数据从内核拷贝到用户线程
• 同步IO会阻塞用户线程；异步IO不会

2. 阻塞/非阻塞IO

a. 阻塞IO

阻塞，指在执行过程中，没有获得预期的结果，就一直阻塞等待获取到结果

阻塞IO，在发起IO请求之后，若数据没有准备好，就一直阻塞等待数据准备完毕

b. 非阻塞IO

非阻塞，表示在执行过程中，若某个条件未满足，则直接返回个标识，它继续去干其他的事情

非阻塞IO，在发起IO请求之后，若数据没有准备好，就返回一个对应标识，它继续干其他的事情

3. 五种IO模型

a. 阻塞IO模型

最传统的IO模型，在读写数据时，未准备就绪，则阻塞用户线程，释放CPU资源，当数据准备就绪之后，内核将数据拷贝到用户线程，用户线程取消阻塞状态

b. 非阻塞IO模型

在读写数据时，直接返回结果，如果没有准备好，则自己实现逻辑，轮询的去判断是否准备就绪

当准备完毕之后，再次轮组发起IO请求，就可以将数据拷贝到用户线程

这个过程中，虽然没有释放CPU资源，但是轮询的判断是非常消耗性能的

c. 多路复用IO模型

Java NIO实际上就是多路复用IO。

在多路复用IO模型中，会有一个线程不断去轮询多个socket的状态，只有当socket真正有读写事件时，才真正调用实际的IO读写操作。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。

d. 信号驱动IO模型

在发起IO请求时，注册一个信号驱动钩子，然后自己干自己的事情

当数据准备就绪之后，发送一个信号给用户线程，然后用户线程执行自己注册的钩子，在内部实现真实的IO操作

e. 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block。然后，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。也就说用户线程完全不需要实际的整个IO操作是如何进行的，只需要先发起一个请求，当接收内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成，可以直接去使用数据了

f. 说明

• 前面四种都属于同步IO（在内核进行数据拷贝都会引起用户线程阻塞），只有最后一个是异步IO
• 异步IO和信号驱动IO的主要区别在于具体的数据处理上

II. NIO

为了解决传统IO的阻塞问题引入的，主要原理如下:

• 一个专门的线程来处理所有的 IO 事件，并负责分发
• 事件驱动机制
• 线程通讯通过 wait/notify 等方式通讯，较少线程切换

1. 基础知识

NIO新定义了三个基本角色：Channel, Buffer, Selector

a. Channel

类似IO中的流，但又有不同

• 支持读写（而流是单向的）
• 与Buffer进行交互（即写入到buffer，从buffer中读取）
• 支持异步

常见的Channel有四种

• FileChannel ： 文件，不支持非阻塞方式
• DatagramChannel：UDP网络数据
• SocketChannel：TCP读写网络数据
• ServerSocketChannel：可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。

b. Buffer

缓冲区，主要有8种:

• ByteBuffer
• CharBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer
• IntBuffer
• ShortBuffer
• LongBuffer
• MappedByteBuffer

管道的读写是需要借助Buffer来实现的，一般buffer的读写流程：

• 创建Buffer
  • ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
• 写入数据到Buffer
  • 从Channel写到Buffer: channel.read(buf);
  • 直接塞入buffer: buf.put(12);
• flip() 切换读写模式
  • 将写模式切换到读模式
• 从Buffer读取数据
  • 从Buffer读数据到Channel：channel.write(buf);
  • 直接读取数据: buf.get()
• 清空缓存区：clear() 或 compact()
  • clear 清空，但是数据并未清除，会覆盖
  • compact 将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处

额外方法：

• Buffer.rewind()
  • 将position设回0，所以你可以重读Buffer中的所有数据
  • limit保持不变，仍然表示能从Buffer中读取多少个元素（byte、char等）
• Buffer.mark()方法，可以标记Buffer中的一个特定position。之后可以通过调用
• Buffer.reset()方法，恢复到Buffer.mark()标记时的position

c. selector

是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道，并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件

• 创建
  • Selector selector = Selector.open();
• 注册通道
  • 设置通道为非阻塞 channel.configureBlocking(false);
  • 注册: SelectionKey key = channel.register(selector,Selectionkey.OP_READ);
• 监听事件
  • selector.select();当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞
  • 迭代：selector.selectedKeys().iterator()
  • 获取通道: SelectionKey#channel
  • 通过缓冲区读写数据

III. NIO与IO对比

1. Java NIO提供了与标准IO不同的IO工作方式：

• Channels and Buffers（通道和缓冲区）：标准的IO基于字节流和字符流进行操作的，而NIO是基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。
• Asynchronous IO（异步IO）：Java NIO可以让你异步的使用IO，例如：当线程从通道读取数据到缓冲区时，线程还是可以进行其他事情。当数据被写入到缓冲区时，线程可以继续处理它。从缓冲区写入通道也类似。
• Selectors（选择器）：Java NIO引入了选择器的概念，选择器用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个的线程可以监听多个数据通道。

2. 使用场景

NIO

• 优势在于一个线程管理多个通道；但是数据的处理将会变得复杂；
• 如果需要管理同时打开的成千上万个连接，这些连接每次只是发送少量的数据，采用这种；

传统IO

• 适用于一个线程管理一个通道的情况；因为其中的流数据的读取是阻塞的
• 如果需要管理同时打开不太多的连接，这些连接会发送大量的数据；

3. 区别

• IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的
  • Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方；
  • NIO则能前后移动流中的数据，因为是面向缓冲区的
• IO流是阻塞的，NIO流是不阻塞的
  • Java 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，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了
  • Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取
  • 非阻塞写也是如此。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。
• 选择器
  • Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道
  • 这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道
  • 这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。

IV. 其他

参考

• Java NIO：浅析I/O模型
• Java NIO原理图文分析及代码实现
• Java NIO系列教程（一） Java NIO 概述
• Java NIO 与 IO之间的区别
• JAVA IO 以及 NIO 理解

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