理解概念

什么是Java IO

  • Java IO是Java Input And Out的简称，是Java的输入输出操作
  • I：InputStream 输入流
  • O：OutputStream 输出流
  • 流：词义来自水流，意指连续不断的数据流，本质是无结构化的连续的字节数据或字符数据，即忽略文件的结构，按照字节或字符去读取或写入数据。
  • Java IO 是Java应用程序和操作系统数据交互的过程，本质是Java进程中某线程和操作系统内核的数据交互，表现形式是JDK的IO操作API或类库
  • 学习Java IO，就是学习如何使用Java调用操作系统的IO，本质是学习JDK类库的API

  • Java IO API分为BIO和NIO，即阻塞IO和非阻塞IO

    阻塞和非阻塞

  • 阻塞blocking：线程读取或写入流时，一直停止，直到数据流处理完毕，线程就绪后再继续执行

  • 非阻塞non-blocking：线程被调用后直接返回一个状态值，读取或写入流操作在后台进行，线程可以继续执行

    同步和异步

  • 同步synchronous：线程发起IO请求后，需等待处理完成后才能继续执行，同步可以保证执行顺便，避免数据脏读

  • 异步asynchronous：线程发起IO请求后，仍继续执行，当IO操作完成后操心系统内核通知线程组（事件机制）或调用线程注册的回调函数（回调机制），通知线程，异步可以提高效率，提高并发

    串行，并行和并发

  • 串行，从开始到结束依次执行，一连串的执行

  • 并行，多个一起同步执行
  • 并发，宏观上是并行，本质上是串行，CPU就是并发操作，宏观并行，微观通过时间片轮转串行执行

总结：

  1. 同步和异步重在发送请求和接收响应的过程
  2. 阻塞和非阻塞重在流处理过程
  3. 串行和并行重在执行过程中是一个线程从头到尾依次执行，还是多个线程齐头并进一起执行
  4. 并发是宏观串行，微观并行，利用时间片轮转达到逻辑上的并行

    BIO、NIO和AIO

  • BIO：Blocing-IO 同步阻塞IO模型，数据的读写必须在同一线程内，等待完成
  • NIO：Non-Blocking-IO 同步非阻塞IO模型，多线程读写操作，一个线程不断轮询每个操作的状态，从而进行下一步操作
  • AIO：Synchronous-Non-Blocking-IO 异步非阻塞IO模型，多线程读写操作，每个操作完后后主动事件通知，无需一个线程去轮询

举个例子：烧开水，假设有一排壶在烧水，则：

  • BIO：就是有一个人一个炉子，先烧烤第一壶水，然后去烧第二壶水，直到全部烧开为止
  • NIO：就是有一个人多个炉子，多个壶同时烧水，哪个开了处理哪个，直到全部烧开为止
  • AIO：就是有一根人多个自动跳闸的炉子，多个壶同时烧水，水烧开了壶自动跳闸

特别说明：技术没有银弹，没有什么最优解，AIO最快，但是需要你购买带自动开关的炉子，BIO最慢，但是只需要一个炉子，NIO居中，但是需要你不停的照看，你需要做的就是，合适的场景选择合适的技术

JDK1.0 引入BIO，JDK1.4引入NIO，JDK1.7引入AIO

  • BIO 就是传统的 java.io 包，它是基于流模型实现的，交互的方式是同步、阻塞方式，也就是说在读入输入流或者输出流时，在读写动作完成之前，线程会一直阻塞在那里，它们之间的调用时可靠的线性顺序。它的有点就是代码比较简单、直观；缺点就是 IO 的效率和扩展性很低，容易成为应用性能瓶颈。
  • NIO 是 Java 1.4 引入的 java.nio 包，提供了 Channel、Selector、Buffer 等新的抽象，可以构建多路复用的、同步非阻塞 IO 程序，同时提供了更接近操作系统底层高性能的数据操作方式。
  • AIO 是 Java 1.7 之后引入的包，是 NIO 的升级版本，提供了异步非堵塞的 IO 操作方式，所以人们叫它 AIO（Asynchronous IO），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。

    IO和NIO的区别

    Java IO - 图1

BIO的四种类型

传统的 IO 大致可以分为4种类型：

  • InputStream、OutputStream 基于字节操作的 IO
  • Writer、Reader 基于字符操作的 IO
  • File 基于磁盘操作的 IO

  • Socket 基于网络操作的 IO

    NIO的3个核心概念

    NIO重点是把Channel（通道），Buffer（缓冲区），Selector（选择器）三个类之间的关系弄清楚。
    1.缓冲区Buffer
    Buffer是一个对象。它包含一些要写入或者读出的数据。在面向流的I/O中，可以将数据写入或者将数据直接读到Stream对象中。
    在NIO中，所有的数据都是用缓冲区处理。这也就本文上面谈到的IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。
    缓冲区实质是一个数组，通常它是一个字节数组（ByteBuffer），也可以使用其他类的数组。但是一个缓冲区不仅仅是一个数组，缓冲区提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置（limit）等信息。
    最常用的缓冲区是ByteBuffer，一个ByteBuffer提供了一组功能于操作byte数组。除了ByteBuffer，还有其他的一些缓冲区，事实上，每一种Java基本类型（除了Boolean）都对应一种缓冲区，具体如下：

  • ByteBuffer：字节缓冲区

  • CharBuffer:字符缓冲区
  • ShortBuffer：短整型缓冲区
  • IntBuffer：整型缓冲区
  • LongBuffer:长整型缓冲区
  • FloatBuffer：浮点型缓冲区
  • DoubleBuffer：双精度浮点型缓冲区

2.通道Channel
Channel是一个通道，可以通过它读取和写入数据，他就像自来水管一样，网络数据通过Channel读取和写入。
通道和流不同之处在于通道是双向的，流只是在一个方向移动，而且通道可以用于读，写或者同时用于读写。
因为Channel是全双工的，所以它比流更好地映射底层操作系统的API，特别是在UNIX网络编程中，底层操作系统的通道都是全双工的，同时支持读和写。
Channel有四种实现：

  • FileChannel:是从文件中读取数据。
  • DatagramChannel:从UDP网络中读取或者写入数据。
  • SocketChannel:从TCP网络中读取或者写入数据。
  • ServerSocketChannel:允许你监听来自TCP的连接，就像服务器一样。每一个连接都会有一个SocketChannel产生。

3.多路复用器Selector
Selector选择器可以监听多个Channel通道感兴趣的事情(read、write、accept(服务端接收)、connect，实现一个线程管理多个Channel，节省线程切换上下文的资源消耗。Selector只能管理非阻塞的通道，FileChannel是阻塞的，无法管理。
关键对象

  • Selector：选择器对象，通道注册、通道监听对象和Selector相关。
  • SelectorKey：通道监听关键字，通过它来监听通道状态。

监听注册
监听注册在Selector socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

监听的事件有

  • OP_ACCEPT: 接收就绪，serviceSocketChannel使用的
  • OP_READ: 读取就绪，socketChannel使用
  • OP_WRITE: 写入就绪，socketChannel使用
  • OP_CONNECT: 连接就绪，socketChannel使用