IO与NIO

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五种IO模型

在网络环境下，通俗的讲，将IO分为两步：等、数据搬迁。如果要想提高IO效率，需要将等的时间降低

五种IO模型包括：

  • 阻塞IO

  • 非阻塞IO

  • 信号驱动IO

  • IO多路转接

  • 异步IO（前四个被称为同步IO）

字节流和字符流

  • 字节流：以字节为单位，每次次读入或读出是8位数据。可以读任何类型数据。

  • 字符流：以字符为单位，每次次读入或读出是16位数据。其只能读取字符类型数据。

输出流和输入流

  • 输出流：从内存读出到文件。只能进行写操作。

  • 输入流：从文件读入到内存。只能进行读操作。

注意：这里的出和入，都是相对于系统内存而言的

节点流和处理流

  • 节点流：直接与数据源相连，读入或读出。

  • 处理流：与节点流一块使用，在节点流的基础上，再套接一层，套接在节点流上的就是处理流。

如果是操作二进制文件那我们就使用字节流，如果操作的是文本文件那我们就使用字符流。
尽可能的多使用处理流，这会使我们的代码更加灵活，复用性更好。

随机流：RandomAccessFile

  • 既可以读文件，也可以写文件

  • 可以指定位置读取（应用于多线程下载）

IO与NIO的区别

  • IO是面向流的，NIO是面向缓冲的

  • IO是阻塞的，NIO是非阻塞的

  • IO是单线程的，NIO 是通过选择器来模拟多线程的

NIO之Buffer（缓冲区）

  • 标准的IO编程接口是面向字节流和字符流的。而NIO是面向通道和缓冲区的，数据总是从通道中读到buffer缓冲区内，或者从buffer缓冲区写入到通道中；（ NIO中的所有I/O操作都是通过一个通道开始的。）

  • 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；

  • Java NIO是面向缓存的I/O方法。 将数据读入缓冲器，使用通道进一步处理数据。 在NIO中，使用通道和缓冲区来处理I/O操作。

NIO之Channel（通道）

  • 通道可以读也可以写，流一般来说是单向的（只能读或者写，所以之前我们用流进行IO操作的时候需要分别创建一个输入流和一个输出流）

  • 通道可以异步读写

  • 通道总是基于缓冲区Buffer来读写

  • 通道之间的数据传输

在Java NIO中如果一个channel是FileChannel类型的，那么他可以直接把数据传输到另一个channel

NIO之Channel：Scatter / Gather

Channel 提供了一种被称为 Scatter/Gather 的新功能，也称为本地矢量 I/O。Scatter/Gather 是指在多个缓冲区上实现一个简单的 I/O 操作。正确使用 Scatter / Gather可以明显提高性能

  • Scatter: 从一个Channel读取的信息分散到N个缓冲区中(Buufer)

  • Gather: 将N个Buffer里面内容按照顺序发送到一个Channel

NIO之Selector（选择器）

Selector 一般称为选择器 ，当然你也可以翻译为 多路复用器 。它是Java NIO核心组件中的一个，用于检查一个或多个NIO Channel（通道）的状态是否处于可读、可写。如此可以实现单线程管理多个channels,也就是可以管理多个网络链接

使用Selector的好处在于：使用更少的线程来就可以来处理通道了，相比使用多个线程，避免了线程上下文切换带来的开销

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I/O多路复用：I/O就是指的我们网络I/O,多路指多个TCP连接(或多个Channel)，复用指复用一个或少量线程。串起来理解就是很多个网络I/O复用一个或少量的线程来处理这些连接

I/O复用模式下在第一个阶段大量的连接统统都可以过来直接注册到Selector复用器上面，同时只要单个或者少量的线程来循环处理这些连接事件就可以了，一旦达到“就绪”的条件，就可以立即执行真正的I/O操作。这就是I/O复用与传统的阻塞式I/O最大的不同。也正是I/O复用的精髓所在

白话解读

  • Buffers：网络传输字节存放的地方。

无论是从channel中取，还是向channel中写,都必须以Buffers作为中间存贮格式

  • Socket Channels：Channel是网络连接和buffer之间的数据通道。

每个连接一个channel，就像之前的socket的stream一样

  • Selector：像一个巡警，在一个片区里面不停的巡逻。

一旦发现事件发生，立刻将事件select出来。不过这些事件必须是提前注册在selector上的，select出来的事件打包成SelectionKey。里面包含了事件的发生事件、地点、人物。如果警察不巡逻，每个街道(socket)分配一个警察(thread)，那么一个片区有几条街道，就需要几个警察。但现在警察巡逻了，一个巡警(selector)可以管理所有的片区里面的街道(socketchannel)

以上把警察比作线程,街道比作socket或socketchannel,街道上发生的一切比作stream.把巡警比作selector,引起巡警注意的事件比作selectionKey.

从上可以看出,使用NIO可以使用一个线程,就能维护多个持久TCP连接.

文件I/O基石：Path

Java7中文件IO发生了很大的变化，专门引入了很多新的类来取代原来的基于java.io.File的文件IO操作方式

Path path = Paths.get("D:\\XMind\\bcl-java.txt");

拥抱Files类

Java NIO中的Files类（java.nio.file.Files）提供了多种操作文件系统中文件的方法。本节教程将覆盖大部分方法。Files类包含了很多方法，所以如果本文没有提到的你也可以直接查询JavaDoc文档。

java.nio.file.Files类是和java.nio.file.Path相结合使用的

内存映射

这个功能主要是为了提高大文件的读写速度而设计的。内存映射文件(memory-mappedfile)能让你创建和修改那些大到无法读入内存的文件。有了内存映射文件，你就可以认为文件已经全部读进了内存，然后把它当成一个非常大的数组来访问了。将文件的一段区域映射到内存中，比传统的文件处理速度要快很多

涉及到的类：java.nio.MappedByteBuffer、java.nio.channels.FileChannel

BIO、NIO和AIO

  • BIO (Blocking I/O)：同步阻塞I/O模式，数据的读取写入必须阻塞在一个线程内等待其完成

  • NIO (Non-blocking I/O)：同步非阻塞的I/O模型，它支持面向缓冲的，基于通道的I/O操作方法

  • AIO (Asynchronous I/O)：异步非阻塞的IO模型，也叫NIO2，异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作

参考文献