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
1package sample; 2 3import java.io.FileInputStream; 4import java.io.FileOutputStream; 5import java.nio.ByteBuffer; 6import java.nio.channels.FileChannel; 7 8public class CopyFile { 9 public static void main(String[] args) throws Exception { 10 String infile = "C:\\copy.sql"; 11 String outfile = "C:\\copy.txt"; 12 // 获取源文件和目标文件的输入输出流 13 FileInputStream fin = new FileInputStream(infile); 14 FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile); 15 // 获取输入输出通道 16 FileChannel fcin = fin.getChannel(); 17 FileChannel fcout = fout.getChannel(); 18 // 创建缓冲区 19 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); 20 while (true) { 21 // clear方法重设缓冲区，使它可以接受读入的数据 22 buffer.clear(); 23 // 从输入通道中将数据读到缓冲区 24 int r = fcin.read(buffer); 25 // 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 26 if (r == -1) { 27 break; 28 } 29 // flip方法让缓冲区可以将新读入的数据写入另一个通道 30 buffer.flip(); 31 // 从输出通道中将数据写入缓冲区 32 fcout.write(buffer); 33 } 34 } 35}
其中 buffer 内部结构如下 ( 下图拷贝自资料 ):
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
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
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
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
1package nio.readpage; 2 3import java.nio.ByteBuffer; 4import java.nio.channels.SocketChannel; 5import java.nio.charset.Charset; 6import java.net.InetSocketAddress; 7import java.io.IOException; 8public class BaiduReader { 9 private Charset charset = Charset.forName("GBK");// 创建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:打开连接 16 channel = SocketChannel.open(socketAddress); 17 //step2:发送请求，使用GBK编码 18 channel.write(charset.encode("GET " + "/ HTTP/1.1" + "\r\n\r\n")); 19 //step3:读取数据 20 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 创建1024字节的缓冲 21 while (channel.read(buffer) != -1) { 22 buffer.flip();// flip方法在读缓冲区字节操作之前调用。 23 System.out.println(charset.decode(buffer)); 24 // 使用Charset.decode方法将字节转换为字符串 25 buffer.clear();// 清空缓冲 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
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 :
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：
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。
对于Selector 异步IO的核心，请参考NIO API解析。