Java IO系统总结

参考文章

1. IO相关知识

Java IO系统总结 - 图1
硬件层(Hardware) :
包括与IO相关的CPU、内存、磁盘和网卡；
内核空间(Kernel Space) :
计算机开机首先运行内核程序，内核程序占用的私有空间就是内核空间，并且可支持访问CPU所有指令集（ring0-ring3）以及所有内存空间、IO、硬件设备。
用户空间(User Space) :
每个普通的用户进程的用户空间，只能访问受限的资源，无法直接操作内存、网卡、磁盘等硬件。
用户空间的进程是通过 System Call Interface 这个可以操作底层硬件的API来进行系统调用的，常见的系统调用，如内存映射mmap()、文件操作类的open()、IO读写read()、write();

1.1 四种 IO模型

  1. BIO 同步阻塞：
  2. NIO 同步非阻塞：
  3. IOM IO多路复用
  4. AIO 异步非阻塞

    1.2 关键字解释

  • 文件描述符
    Linux每打开一个文件都有一个小的整数与之对应。内核利用文件描述符来访问文件，windows里对应叫文件句柄。
  • 缓存IO
    Linux的缓存IO机制中，操作系统会将IO的数据存在文件系统的页缓存（PageCache）中，即数据先拷贝内核缓冲区，然后从缓冲区拷贝到应用的地址空间。
  • IO多路复用(multiplexing)
    原理：通过内核缓冲IO数据的机制，让单进程可以监控多个文件描述符，当某个描述符读就绪或写就绪等，就能通知程序进行相应读写操作。
    优点：这样可以不必创建维护多个进程/线程，大大减小系统开销。

Java IO系统总结 - 图2

  • select机制
    原理：select 函数监视3类文件描述符：writefs、readfds、exceptfds。调用后select会阻塞，直至这有3类描述符就绪，或超时，函数返回。返回后可以遍历fd_set集合来找到就绪的描述符。
    缺点 : 每次调用select需要把fd_set集合从用户态拷贝到内核态。若fs_set集合很大时，系统开销很大，因此fd_set的大小进行限制了，限制为1024。
  • poll机制
    与select机制类似，管理多个描述符也是进行轮询，根据其状态进行处理，poll机制使用的是pollfd结构，使得poll没有最大文件符数量限制。
  • epoll机制
    原理：支持水平触发和边缘触发，最大特点为边缘触发，只告诉一次进程哪些fd刚变为就绪态。epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似回调机制，激活fd，epoll_wait便可收到通知。
    优点：1. 没有描述符个数限制，一个文件描述符管理多个描述符，将文件描述符的事件存放到内核的事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。 2. epoll是select、poll的增强版，可以显著提高程序在大量并发连接中只有少量活跃的情况下系统CPU利用率，原因是获取事件时，无需遍历整个监听的描述符集，只需遍历被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合。

    2. IO流 抽象类结构

    IO流

    2.1 基于操作字节流的接口

    基于字节的输入输出操作接口分别为：InputStream 和 OutputStream。
    2.1.1 字节输入流

    2.2 基于操作字符流的接口