JavaIONIO

IO模型

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。
 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,直到用户线程交出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,用户线程才解除block状态。
 典型的阻塞IO模型data = socket.read();如果数据没有就绪,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,而是马上就得到了一个结果。
 如果结果是一个error时,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次发送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,那么它马上就将数据拷贝到了用户线程,然后返回。
 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,也就说非阻塞IO不会交出CPU,而会一直占用CPU。
 但是对于非阻塞IO就有一个非常严重的问题,在while循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪,这样会导致CPU占用率非常高,因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。

多路复用IO模型

 多路复用IO模型是目前使用得比较多的模型。
 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。
 多路复用IO模型,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。
 另外多路复用IO为何比非阻塞IO模型的效率高是因为在非阻塞IO中,不断地询问socket状态时,通过用户线程去进行的,而在多路复用IO中,轮询每个socket状态是内核在进行的,这个效率要比用户线程要高的多。
 不过要注意的是,多路复用IO模型是通过轮询..【select poll epoll】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。

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,用户线程接收到信号之后,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关心实际的整个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【重点:有人做有人通知】表示IO操作已经完成,可以直接去使用数据了。

 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。

 异步IO是需要操作系统的底层支持,在Java 7中,提供了Asynchronous IO。

Java IO

 Reader Writer InputStream OutputStream

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,而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)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。
 Selector(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,单个线程可以监听多个数据通道。
 NIO和传统IO之间第一个最大的区别是,IO是面向流的,NIO是面向缓冲区的。

NIO的缓冲区

 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。
 此外,它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。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区,需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是,还需要检查该缓冲区中是否包含所有您需要处理的数据。而且,需确保当更多的数据读入缓冲区时,不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

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【即发起读或写的线程被阻塞】。
 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。而不是保持线程阻塞,所以直至数据变的可以读取之前,该线程可以继续做其他的事情。 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。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作。
 所以,一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道(channel)。

Channel

 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
    可以分别对应文件IO、UDP和TCP(Server和Client)。

Buffer

 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。
 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

 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。

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