1.   基本 概念

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

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

2.    Java 標(biāo)準(zhǔn) io 回顧

Java 標(biāo)準(zhǔn) IO 類庫是 io 面向?qū)ο蟮囊环N抽象。基于本地方法的底層實(shí)現(xiàn)，我們無須關(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 簡介

nio 是 java New IO 的簡稱，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

圖1：channel和buffer關(guān)系
 

例子 1:CopyFile.java:

Java代碼  

1. package sample;  
2.   
3. import java.io.FileInputStream;  
4. import java.io.FileOutputStream;  
5. import java.nio.ByteBuffer;  
6. import java.nio.channels.FileChannel;  
7.   
8. public class CopyFile {  
9.     public static void main(String[] args) throws Exception {  
10.         String infile = "C:\\copy.sql";  
11.         String outfile = "C:\\copy.txt";  
12.         // 獲取源文件和目標(biāo)文件的輸入輸出流  
13.         FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);  
14.         FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);  
15.         // 獲取輸入輸出通道  
16.         FileChannel fcin = fin.getChannel();  
17.         FileChannel fcout = fout.getChannel();  
18.         // 創(chuàng)建緩沖區(qū)  
19.         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
20.         while (true) {  
21.             // clear方法重設(shè)緩沖區(qū)，使它可以接受讀入的數(shù)據(jù)  
22.             buffer.clear();  
23.             // 從輸入通道中將數(shù)據(jù)讀到緩沖區(qū)  
24.             int r = fcin.read(buffer);  
25.             // 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  
26.             if (r == -1) {  
27.                 break;  
28.             }  
29.             // flip方法讓緩沖區(qū)可以將新讀入的數(shù)據(jù)寫入另一個(gè)通道  
30.             buffer.flip();  
31.             // 從輸出通道中將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)  
32.             fcout.write(buffer);  
33.         }  
34.     }  
35. }  

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)變量來控制讀寫的過程。此三個(gè)變量的含義見如下表格：

Buffer 常見方法：

flip(): 寫模式轉(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 常見類型： ByteBuffer 、 MappedByteBuffer 、 CharBuffer 、 DoubleBuffer 、 FloatBuffer 、 IntBuffer 、LongBuffer 、 ShortBuffer 。

channel 常見類型 :FileChannel 、 DatagramChannel(UDP) 、 SocketChannel(TCP) 、 ServerSocketChannel(TCP)

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

–        場景 1 ： Copy 一個(gè) 370M 的文件

–        場景 2: 三個(gè)線程同時(shí)拷貝，每個(gè)線程拷貝一個(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。

以我們最常見的 http 請求為例，在請求的時(shí)候必須對(duì)請求進(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

Java代碼  

1. package nio.readpage;  
2.   
3. import java.nio.ByteBuffer;  
4. import java.nio.channels.SocketChannel;  
5. import java.nio.charset.Charset;  
6. import java.net.InetSocketAddress;  
7. import java.io.IOException;  
8. public class BaiduReader {  
9.     private Charset charset = Charset.forName("GBK");// 創(chuàng)建GBK字符集  
10.     private SocketChannel channel;  
11.     public void readHTMLContent() {  
12.         try {  
13.             InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(  
14. "www.baidu.com", 80);  
15. //step1:打開連接  
16.             channel = SocketChannel.open(socketAddress);  
17.         //step2:發(fā)送請求，使用GBK編碼  
18.             channel.write(charset.encode("GET " + "/ HTTP/1.1" + "\r\n\r\n"));  
19.             //step3:讀取數(shù)據(jù)  
20.             ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 創(chuàng)建1024字節(jié)的緩沖  
21.             while (channel.read(buffer) != -1) {  
22.                 buffer.flip();// flip方法在讀緩沖區(qū)字節(jié)操作之前調(diào)用。  
23.                 System.out.println(charset.decode(buffer));  
24.                 // 使用Charset.decode方法將字節(jié)轉(zhuǎn)換為字符串  
25.                 buffer.clear();// 清空緩沖  
26.             }  
27.         } catch (IOException e) {  
28.             System.err.println(e.toString());  
29.         } finally {  
30.             if (channel != null) {  
31.                 try {  
32.                     channel.close();  
33.                 } catch (IOException e) {  
34.                 }  
35.             }  
36.         }  
37.     }  
38.     public static void main(String[] args) {  
39.         new BaiduReader().readHTMLContent();  
40.     }  
41. }  

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)方面來理解。

何為阻塞？

一個(gè)常見的網(wǎng)絡(luò) IO 通訊流程如下 :

圖3：網(wǎng)絡(luò)通訊基本過程

從該網(wǎng)絡(luò)通訊過程來理解一下何為阻塞 :

在以上過程中若連接還沒到來，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)行其他線程。

在以上過程中若數(shù)據(jù)還沒準(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)：多線程處理多個(gè)連接。每個(gè)線程擁有自己的棧空間并且占用一些 CPU 時(shí)間。每個(gè)線程遇到外部為準(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意義的。比如假設(shè)一個(gè)線程監(jiān)聽一個(gè)端口，一天只會(huì)有幾次請求進(jìn)來，但是該 cpu 不得不為該線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 開往 B 的公共汽車上，路上有很多點(diǎn)可能會(huì)有人下車。司機(jī)不知道哪些點(diǎn)會(huì)有哪些人會(huì)下車，對(duì)于需要下車的人，如何處理更好？

1. 司機(jī)過程中定時(shí)詢問每個(gè)乘客是否到達(dá)目的地，若有人說到了，那么司機(jī)停車，乘客下車。 ( 類似阻塞式 )

2. 每個(gè)人告訴售票員自己的目的地，然后睡覺，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。 ( 類似非阻塞 )

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)線程，司機(jī)可以認(rèn)為是 CPU 。在阻塞式里面，每個(gè)線程需要不斷的輪詢，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 ( 線程 ) 都在睡覺 ( 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)過程切換成小的任務(wù)，通過任務(wù)間協(xié)作完成。

由一個(gè)專門的線程來處理所有的 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。

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

以下是異步 IO 的結(jié)構(gòu)：

圖4：非阻塞基本原理

Reactor 就是上面隱喻的售票員角色。每個(gè)線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，它能檢測一個(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 線程就能監(jiān)聽多個(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。

例子 1 單線程實(shí)現(xiàn)監(jiān)聽兩個(gè)端口。 ( 見 nio.asyn 包下面的例子。 )

例子 2 NIO 線程協(xié)作實(shí)現(xiàn)資源合理利用。 (wait,notify) 。 ( 見 nio.asyn.multithread 下的例子 )

ps: