【学习笔记】JAVA IO与NIO（new IO)的对比与不同IO模型的理解

Love The Way You Lie 2022-10-11 15:47 154阅读 0赞

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*  JAVA IO
 *   *  分类：
     *  几种IO 模型
     *   *  1. 阻塞 IO 模型
         *  2. 非阻塞 IO 模型
 *  JAVA NIO
 *   *   *  多路复用 IO 模型（即Java中的NIO）

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# JAVA IO #

思维导图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMzU4NTc0_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 分类： ##

按照流的方向：输入流（inputStream）和输出流（outputStream）。  
按照实现功能分：节点流（可以从或向一个特定的地方（节点）读写数据。如FileReader）和处理流（是对一个已存在的流的连接和封装，通过所封装的流的功能调用实现数据读写。如BufferedReader。处理流的构造方法总是要带一个其他的流对象做参数。一个流对象经过其他流的多次包装，称为流的链接。）  
按照处理数据的单位：字节流和字符流。字节流继承于InputStream 和OutputStream，字符流继承于  
InputStreamReader 和OutputStreamWriter。

一些常见的InputStream子类：  
ByteArrayInputStream 字节数组输⼊流 ： 把内存中的⼀个缓冲区作为 InputStream 使⽤PipedInputStream 管道输⼊流： 实现了pipe 管道的概念，主要在线程中使⽤SequenceInputStream 顺序输⼊流：把多个 InputStream 合并为⼀个 InputStream  
FilterOutputStream 过滤输⼊流：其他输⼊流的包装。  
ObjectInputStream 反序列化输⼊流 ： 将之前使⽤ ObjectOutputStream 序列化的原始数据恢复为对象，以流的⽅式读取对象  
DataInputStream : 数据输⼊流允许应⽤程序以与机器⽆关⽅式从底层输⼊流中读取基本 Java 数据类型。  
PushbackInputStream 推回输⼊流： 缓冲的⼀个新颖的⽤法是实现推回 （pushback） 。  
Pushback ⽤于输⼊流允许字节被读取然后返回到流。

## 几种IO 模型 ##

### 1. 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现象。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，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 模型的例子为：data = socket.read();如果数据没有就绪，就会一直阻塞在read 方法。  
java中，默认创建的socket都是阻塞的。  
在java中发起一个socket的read读操作的系统调用，流程大致如下：  
（1）从Java启动IO读的read系统调用开始，用户线程就进入阻塞状态。  
（2）当系统内核收到read系统调用，就开始准备数据。一开始，数据可能还没有到达内核缓冲区（例如，还没有收到一个完整的socket数据包），这个时候内核就要等待。  
（3）内核一直等到完整的数据到达，就会将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区（用户空间的内存），然后内核返回结果（例如返回复制到用户缓冲区中的字节数）。  
（4）直到内核返回后，用户线程才会解除阻塞的状态，重新运行起来。 总之，**阻塞IO的特点是：在内核进行IO执行的两个阶段，用户线程都被阻塞了。 阻塞IO的优点是：应用的程序开发非常简单；在阻塞等待数据期间，用户线程挂起。在阻塞期间，用户线程基本不会占用CPU资源。 阻塞IO的缺点是：一般情况下，会为每个连接配备一个独立的线程**；反过来说，就是一个线程维护一个连接的IO操作。在并发量小的情况下，这样做没有什么问题。但是，当在高并发的应用场景下，需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存、线程切换开销会非常巨大。因此，基本上阻塞IO模型在高并发应用场景下是不可用的。

解释同步与异步：  
同步IO,指的是一种用户空间与内核空间的IO发起方式，同步IO是指用户空间的线程是主动发起IO请求的一方，内核空间是被动接受方，异步IO则反过来，是指系统内核是主动发起IO请求的一方，用户空间的线程是被动接收方。

### 2. 非阻塞 IO 模型 ###

这里说明一下，**同步非阻塞IO，可以简称为NIO，但是，它不是Java中的NIO**，虽然它们的英文缩写一样，希望大家不要混淆。Java的NIO（New IO），对应的不是四种基础IO模型中的NIO（None Blocking IO）模型，而是另外的一种模型，叫作IO多路复用模型（IO Multiplexing）。

socket连接默认是阻塞模式，在Linux系统下，可以通过设置将socket变成为非阻塞的模式（Non-Blocking）。使用非阻塞模式的IO读写，叫作同步非阻塞IO（None Blocking IO），简称为NIO模式。在NIO模型中，应用程序一旦开始IO系统调用，会出现以下两种情况：  
（1）在内核缓冲区中没有数据的情况下，系统调用会立即返回，返回一个调用失败的信息。  
（2）在内核缓冲区中有数据的情况下，是阻塞的，直到数据从内核缓冲复制到用户进程缓冲。复制完成后，系统调用返回成功  
举个例子。发起一个非阻塞socket的read读操作的系统调用，流程如下：  
（1）在内核数据没有准备好的阶段，用户线程发起IO请求时，立即返回。所以，为了读取到最终的数据，用户线程需要不断地发起IO系统调用。  
（2）内核数据到达后，用户线程发起系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据，它会将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区（用户空间的内存），然后内核返回结果（例如返回复制到的用户缓冲区的字节数）。  
（3）用户线程读到数据后，才会解除阻塞状态，重新运行起来。也就是说，用户进程需要经过多次的尝试，才能保证最终真正读到数据，而后继续执行。 同步非阻塞IO的特点：应用程序的线程需要不断地进行IO系统调用，轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，就继续轮询，直到完成IO系统调用为止。 同步非阻塞IO的优点：每次发起的IO系统调用，在内核等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会阻塞，实时性较好。 **同步非阻塞IO的缺点：不断地轮询内核，这将占用大量的CPU时间，效率低下。 总体来说，在高并发应用场景下，同步非阻塞IO也是不可用的**。一般Web服务器不使用这种IO模型。这种IO模型一般很少直接使用，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。在Java的实际开发中，也不会涉及这种模型。

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。典型的非阻塞IO 模型一般如下：

while(true){ 
    data = socket.read(); if(data!= error){ 
    处理数据break;
    }
    }

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。

简单来说，阻塞是指用户空间（调用线程）一直在等待，而不能干别的事情，非阻塞是指用户空间（调用线程）拿到内核返回的状态值就返回自己的空间，IO操作可以干就干，不可以干就干别的事情。  
非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK。

1.  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。
2.  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，当它收到一个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。  
    **这有点类似JAVA中的回调模式，用户空间的线程向内核空间注册了各种IO事件的回调函数，由内核去主动调用**。

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。  
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# JAVA NIO #

### 多路复用 IO 模型（即Java中的NIO） ###

多路复用 IO 模型是目前使用得比较多的模型。即经典的Reactor反应器设计模式，有时也称异步阻塞IO。JAVA的selector选择器和LINUX的epoll都是这种模型。  
如何避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题呢？这就是IO多路复用模型。

**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 模式，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。

举个例子来说明IO多路复用模型的流程。发起一个多路复用IO的read读操作的系统调用，流程如下：  
（1）选择器注册。在这种模式中，首先，将需要read操作的目标socket网络连接，提前注册到select/epoll选择器中，Java中对应的选择器类是Selector类。然后，才可以开启整个IO多路复用模型的轮询流程。  
2）就绪状态的轮询。通过选择器的查询方法，查询注册过的所有socket连接的就绪状态。通过查询的系统调用，内核会返回一个就绪的socket列表。**当任何一个注册过的socket中的数据准备好了，内核缓冲区有数据（就绪）了，内核就将该socket加入到就绪的列表中。 当用户进程调用了select查询方法，那么整个线程会被阻塞掉**。  
（3）用户线程获得了就绪状态的列表后，根据其中的socket连接，发起read系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据，将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。  
（4）复制完成后，内核返回结果，用户线程才会解除阻塞的状态，用户线程读取到了数据，继续执行。 IO多路复用模型的流程如图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMzU4NTc0_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

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。

IO多路复用模型的特点：IO多路复用模型的IO涉及两种系统调用（System Call），另一种是select/epoll（就绪查询），一种是IO操作。**IO多路复用模型建立在操作系统的基础设施之上，即操作系统的内核必须能够提供多路分离的系统调用select/epoll**。 多路复用IO也需要轮询。负责select/epoll状态查询调用的线程，需要不断地进行select/epoll轮询，查找出达到IO操作就绪的socket连接。 IO多路复用模型与同步非阻塞IO模型是有密切关系的。对于注册在选择器上的每一个可以查询的socket连接，一般都设置成为同步非阻塞模型。仅是这一点，对于用户程序而言是无感知的。  
IO多路复用模型的优点：与一个线程维护一个连接的阻塞IO模式相比，使用select/epoll的最大优势在于，一个选择器查询线程可以同时处理成千上万个连接（Connection）。**系统不必创建大量的线程，也不必维护这些线程，从而大大减小了系统的开销**。 在Linux系统上，使用的是epoll系统调用。

不过要注意的是，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。  
NIO 的特点：事件驱动模型、单线程处理多任务、非阻塞 I/O，I/O 读写不再阻塞，而是返回 0、基于 block 的传输比基于流的传输更高效、更高级的 IO 函数 zero-copy、IO 多路复用大大提高了 Java 网络应用的可伸缩性和实用性。基于 Reactor 线程模型。

NIO(new io) 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(选择区)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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMzU4NTc0_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
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。

1.  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，还需要检查是否该缓冲区中包含所 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。
2.  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。 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）。
3.  Channel  
    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。表示 IO 源与目标打开的连接，是双向的，但不能直接访问数据，只能与 Buffer进行交互。通过源码可知，FileChannel 的 read 方法和 write 方法都导致数据复制了两次.  
    NIO 中的 Channel 的主要实现有：

1. FileChannel  
2. DatagramChannel  
3. SocketChannel  
4. ServerSocketChannel  
这里看名字就可以猜出个所以然来：分别可以对应文件 IO、UDP 和 TCP（Server 和 Client）。

1.  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。  
    ![在这里插入图片描述][20210701173351848.png]  
    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

1.  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。open 方法可创建 Selector，register 方法向多路复用器器注册通道，可以监听的事件类型：读、写、连接、accept。注册事件后会产  
    生一个 SelectionKey：它表示 SelectableChannel 和 Selector 之间的注册关系，wakeup 方法：使尚未返回的第一个选择操作立即返回，唤醒的原因是：注册了新的 channel 或者事  
    件；channel 关闭，取消注册；优先级更高的事件触发（如定时器事件），希望及时处理。

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