1.
基本
概念
IO
是主存和外部设备
(
硬盘、终端和网络等
)
拷贝数据的过程。
IO
是操作系统的底层功能实现,底层通过
I/O
指令进行完成。
所有语言运行时系统提供执行
I/O
较高级别的工具。
(c
的
printf
scanf,java
的面向对象封装
)
2.
Java
标准
io
回顾
Java
标准
IO
类库是
io
面向对象的一种抽象。基于本地方法的底层实现,我们无须关注底层实现。
InputStream\OutputStream(
字节流
)
:一次传送一个字节。
Reader\Writer(
字符流
)
:一次一个字符。
3.
nio
简介
nio
是
java New
IO
的简称,在
jdk1.4
里提供的新
api
。
Sun
官方标榜的特性如下:
–
为所有的原始类型提供
(Buffer)
缓存支持。
–
字符集编码解码解决方案。
–
Channel
:一个新的原始
I/O
抽象。
–
支持锁和内存映射文件的文件访问接口。
–
提供多路
(non-bloking)
非阻塞式的高伸缩性网络
I/O
。
本文将围绕这几个特性进行学习和介绍。
4.
Buffer&Chanel
Channel
和
buffer
是
NIO
是两个最基本的数据类型抽象。
Buffer:
–
是一块连续的内存块。
–
是
NIO
数据读或写的中转地。
Channel:
–
数据的源头或者数据的目的地
–
用于向
buffer
提供数据或者读取
buffer
数据
,buffer
对象的唯一接口。
–
异步
I/O
支持
图1:channel和buffer关系
例子
1:CopyFile.java:
-
package
sample;
-
-
import
java.io.FileInputStream;
-
import
java.io.FileOutputStream;
-
import
java.nio.ByteBuffer;
-
import
java.nio.channels.FileChannel;
-
-
public
class
CopyFile {
-
public
static
void
main(String[] args)
throws
Exception {
-
String infile =
"C:\\copy.sql"
;
-
String outfile =
"C:\\copy.txt"
;
-
// 获取源文件和目标文件的输入输出流
-
FileInputStream fin =
new
FileInputStream(infile);
-
FileOutputStream fout =
new
FileOutputStream(outfile);
-
// 获取输入输出通道
-
FileChannel fcin = fin.getChannel();
-
FileChannel fcout = fout.getChannel();
-
// 创建缓冲区
-
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(
1024
);
-
while
(
true
) {
-
// clear方法重设缓冲区,使它可以接受读入的数据
-
buffer.clear();
-
// 从输入通道中将数据读到缓冲区
-
int
r = fcin.read(buffer);
-
// read方法返回读取的字节数,可能为零,如果该通道已到达流的末尾,则返回-1
-
if
(r == -
1
) {
-
break
;
-
}
-
// flip方法让缓冲区可以将新读入的数据写入另一个通道
-
buffer.flip();
-
// 从输出通道中将数据写入缓冲区
-
fcout.write(buffer);
-
}
-
}
-
}
其中
buffer
内部结构如下
(
下图拷贝自资料
):
图2:buffer内部结构
一个
buffer
主要由
position,limit,capacity
三个变量来控制读写的过程。此三个变量的含义见如下表格:
参数
|
写模式
|
读模式
|
position
|
当前写入的单位数据数量。
|
当前读取的单位数据位置。
|
limit
|
代表最多能写多少单位数据和容量是一样的。
|
代表最多能读多少单位数据,和之前写入的单位数据量一致。
|
capacity
|
buffer
容量
|
buffer
容量
|
Buffer
常见方法:
flip():
写模式转换成读模式
rewind()
:将
position
重置为
0
,一般用于重复读。
clear()
:清空
buffer
,准备再次被写入
(position
变成
0
,
limit
变成
capacity)
。
compact():
将未读取的数据拷贝到
buffer
的头部位。
mark()
、
reset():mark
可以标记一个位置,
reset
可以重置到该位置。
Buffer
常见类型:
ByteBuffer
、
MappedByteBuffer
、
CharBuffer
、
DoubleBuffer
、
FloatBuffer
、
IntBuffer
、
LongBuffer
、
ShortBuffer
。
channel
常见类型
:FileChannel
、
DatagramChannel(UDP)
、
SocketChannel(TCP)
、
ServerSocketChannel(TCP)
在本机上面做了个简单的性能测试。我的笔记本性能一般。
(
具体代码可以见附件。见
nio.sample.filecopy
包下面的例子
)
以下是参考数据:
–
场景
1
:
Copy
一个
370M
的文件
–
场景
2:
三个线程同时拷贝,每个线程拷贝一个
370M
文件
场景
|
FileInputStream+
FileOutputStream
|
FileInputStream+
BufferedInputStream+
FileOutputStream
|
ByteBuffer+
FileChannel
|
MappedByteBuffer
+FileChannel
|
场景一时间
(
毫秒
)
|
25155
|
17500
|
19000
|
16500
|
场景二时间
(
毫秒
)
|
69000
|
67031
|
74031
|
71016
|
5.
nio.charset
字符编码解码
:
字节码本身只是一些数字,放到正确的上下文中被正确被解析。向
ByteBuffer
中存放数据时需要考虑字符集的编码方式,读取展示
ByteBuffer
数据时涉及对字符集解码。
Java.nio.charset
提供了编码解码一套解决方案。
以我们最常见的
http
请求为例,在请求的时候必须对请求进行正确的编码。在得到响应时必须对响应进行正确的解码。
以下代码向
baidu
发一次请求,并获取结果进行显示。例子演示到了
charset
的使用。
例子
2BaiduReader.java
-
package
nio.readpage;
-
-
import
java.nio.ByteBuffer;
-
import
java.nio.channels.SocketChannel;
-
import
java.nio.charset.Charset;
-
import
java.net.InetSocketAddress;
-
import
java.io.IOException;
-
public
class
BaiduReader {
-
private
Charset charset = Charset.forName(
"GBK"
);
// 创建GBK字符集
-
private
SocketChannel channel;
-
public
void
readHTMLContent() {
-
try
{
-
InetSocketAddress socketAddress =
new
InetSocketAddress(
-
"www.baidu.com"
,
80
);
-
//step1:打开连接
-
channel = SocketChannel.open(socketAddress);
-
//step2:发送请求,使用GBK编码
-
channel.write(charset.encode(
"GET "
+
"/ HTTP/1.1"
+
"\r\n\r\n"
));
-
//step3:读取数据
-
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(
1024
);
// 创建1024字节的缓冲
-
while
(channel.read(buffer) != -
1
) {
-
buffer.flip();
// flip方法在读缓冲区字节操作之前调用。
-
System.out.println(charset.decode(buffer));
-
// 使用Charset.decode方法将字节转换为字符串
-
buffer.clear();
// 清空缓冲
-
}
-
}
catch
(IOException e) {
-
System.err.println(e.toString());
-
}
finally
{
-
if
(channel !=
null
) {
-
try
{
-
channel.close();
-
}
catch
(IOException e) {
-
}
-
}
-
}
-
}
-
public
static
void
main(String[] args) {
-
new
BaiduReader().readHTMLContent();
-
}
-
}
6.
非阻塞 IO
关于非阻塞
IO
将从何为阻塞、何为非阻塞、非阻塞原理和异步核心
API
几个方面来理解。
何为阻塞?
一个常见的网络
IO
通讯流程如下
:
图3:网络通讯基本过程
从该网络通讯过程来理解一下何为阻塞
:
在以上过程中若连接还没到来,那么
accept
会阻塞
,
程序运行到这里不得不挂起,
CPU
转而执行其他线程。
在以上过程中若数据还没准备好,
read
会一样也会阻塞。
阻塞式网络
IO
的特点:多线程处理多个连接。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些
CPU
时间。每个线程遇到外部为准备好的时候,都会阻塞掉。阻塞的结果就是会带来大量的进程上下文切换。且大部分进程上下文切换可能是无意义的。比如假设一个线程监听一个端口,一天只会有几次请求进来,但是该
cpu
不得不为该线程不断做上下文切换尝试,大部分的切换以阻塞告终。
何为非阻塞?
下面有个隐喻:
一辆从
A
开往
B
的公共汽车上,路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车,对于需要下车的人,如何处理更好?
1.
司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地,若有人说到了,那么司机停车,乘客下车。
(
类似阻塞式
)
2.
每个人告诉售票员自己的目的地,然后睡觉,司机只和售票员交互,到了某个点由售票员通知乘客下车。
(
类似非阻塞
)
很显然,每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程,司机可以认为是
CPU
。在阻塞式里面,每个线程需要不断的轮询,上下文切换,以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里,每个乘客
(
线程
)
都在睡觉
(
休眠
)
,只在真正外部环境准备好了才唤醒,这样的唤醒肯定不会阻塞。
非阻塞的原理
把整个过程切换成小的任务,通过任务间协作完成。
由一个专门的线程来处理所有的
IO
事件,并负责分发。
事件驱动机制:事件到的时候触发,而不是同步的去监视事件。
线程通讯:线程之间通过
wait,notify
等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的进程切换。
以下是异步
IO
的结构:
图4:非阻塞基本原理
Reactor
就是上面隐喻的售票员角色。每个线程的处理流程大概都是读取数据、解码、计算处理、编码、发送响应。
异步
IO
核心
API
Selector
异步
IO
的核心类,它能检测一个或多个通道
(channel)
上的事件,并将事件分发出去。
使用一个
select
线程就能监听多个通道上的事件,并基于事件驱动触发相应的响应。而不需要为每个
channel
去分配一个线程。
SelectionKey
包含了事件的状态信息和时间对应的通道的绑定。
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