好記性不如爛筆頭——NIO學習筆記

本文是對NIO知識的概括與整理

1.阻塞與同步

1）阻塞(Block)和非租塞(NonBlock):

阻塞和非阻塞是進程在訪問數據的時候，數據是否準備就緒的一種處理方式，當數據沒有準備的時候阻塞：每每須要等待縗衝區中的數據準備好事後才處理其餘的事情，否則一直等待在那裏。

非阻塞：當咱們的進程訪問咱們的數據緩衝區的時候，若是數據沒有準備好則直接返回，不會等待。若是數據已經準備好，也直接返回

2）同步(Synchronization)和異步(Async)的方式：

同步和異步都是基於應用程序私操做系統處理IO事件所採用的方式，好比同步：是應用程序要直接參與IO讀寫的操做。異步：全部的IO讀寫交給搡做系統去處理，應用程序只須要等待通知。

同步方式在處理IO事件的時候，必須阻塞在某個方法上靣等待咱們的IO事件完成(阻塞IO事件或者經過輪詢IO事件的方式）.對於異步來講，全部的IO讀寫都交給了搡做系統。這個時候，咱們能夠去作其餘的事情，並不拓要去完成真正的IO搡做，當搡做完成IO後.會給咱們的應用程序一個通知

同步：阻塞到IO事件，阻塞到read成則write。這個時候咱們就徹底不能作本身的事情，讓讀寫方法加入到線程裏面，而後阻塞線程來實現，對線程的性能開銷比較大，

2.BIO與NIO對比

block IO與Non-block IO

1）區別

IO模型IONIO

方式從硬盤到內存從內存到硬盤

通訊面向流（鄉村公路）面向緩存（高速公路，多路複用技術）

處理阻塞IO（多線程）非阻塞IO（反應堆Reactor）

觸發無選擇器（輪詢機制）

2）面向流與面向緩衝

Java NIO和IO之間第一個最大的區別是，IO是面向流的.NIO是面向緩衝區的。Java IO面向流意味着毎次從流中讀一個成多個字節，直至讀取全部字節，它們沒有被緩存在任何地方，此外，它不能先後移動流中的數據。若是須要先後移動從流中讀取的教據，須要先將它緩存到一個緩衝區。Java NIO的緩衝導向方法略有不一樣。數據讀取到一個它稍後處理的緩衝區，霱要時可在緩衝區中先後移動。這就增長了處理過程當中的靈活性。可是，還須要檢查是否該緩衝區中包含全部您須要處理的數裾。並且，需確保當更多的數據讀入緩衝區時，不要覆蓋緩衝區裏還沒有處理的數據。

3）阻塞與非阻塞

Java IO的各類流是阻塞的。這意味着，當一個線程調用read() 或 write()時，該線程被阻塞，直到有一些數據被讀取，或數據徹底寫入。該線程在此期間不能再幹任何事情了。 Java NIO的非阻塞模式，使一個線程從某通道發送請求讀取數據，可是它僅能獲得目前可用的數據，若是目前沒有數據可用時，就什麼都不會獲取。而不是保持線程阻塞，因此直至數據變的能夠讀取以前，該線程能夠繼續作其餘的事情。 非阻塞寫也是如此。一個線程請求寫入一些數據到某通道，但不須要等待它徹底寫入，這個線程同時能夠去作別的事情。 線程一般將非阻塞IO的空閒時間用於在其它通道上執行IO操做，因此一個單獨的線程如今能夠管理多個輸入和輸出通道（channel）。

4）選擇器（Selector)

Java NIO的選擇器容許一個單獨的線程來監視多個輸入通道，你能夠註冊多個通道使用一個選擇器，而後使用一個單獨的線程來「選擇"通道：這些通裏已經有能夠處理的褕入，或者選擇已準備寫入的通道。這選懌機制，使得一個單獨的線程很容易來管理多個通道。

5）NIO和BIO讀取文件

BIO讀取文件

BIO從一個阻塞的流中一行一行的讀取數據

NIO讀取文件

通道是數據的載體，buffer是存儲數據的地方，線程每次從buffer檢查數據通知給通道

6）處理數據的線程數

NIO：一個線程管理多個鏈接

BIO：一個線程管理一個鏈接

3.NIO簡介

在Java1.4以前的I/O系統中，提供的都是面向流的I/O系統，系統一次一個字節地處理數據，一個輸入流產生一個字節的數據，一個輸出流消費一個字節的數據，面向流的I/O速度很是慢，而在Java 1.4中推出了NIO，這是一個面向塊的I/O系統，系統以塊的方式處理處理，每個操做在一步中產生或者消費一個數據庫，按塊處理要比按字節處理數據快的多。

在NIO中有幾個核心對象須要掌握：緩衝區（Buffer）、通道（Channel）、選擇器（Selector）。

4.緩衝區Buffer

緩衝區其實是一個容器對象，更直接的說，其實就是一個數組，在NIO庫中，全部數據都是用緩衝區處理的。在讀取數據時，它是直接讀到緩衝區中的； 在寫入數據時，它也是寫入到緩衝區中的；任什麼時候候訪問 NIO 中的數據，都是將它放到緩衝區中。而在面向流I/O系統中，全部數據都是直接寫入或者直接將數據讀取到Stream對象中。

在NIO中，全部的緩衝區類型都繼承於抽象類Buffer，最經常使用的就是ByteBuffer，對於Java中的基本類型，基本都有一個具體Buffer類型與之相對應，它們之間的繼承關係以下圖所示：

1）其中的四個屬性的含義分別以下：

容量（Capacity）：緩衝區可以容納的數據元素的最大數量。這一個容量在緩衝區建立時被設定，而且永遠不能改變。

上界(Limit)：緩衝區的第一個不能被讀或寫的元素。或者說,緩衝區中現存元素的計數。

位置(Position)：下一個要被讀或寫的元素的索引。位置會自動由相應的 get( )和 put( )函數更新。

標記(Mark)：下一個要被讀或寫的元素的索引。位置會自動由相應的 get( )和 put( )函數更新。

2）Buffer的常見方法以下所示:

flip(): 寫模式轉換成讀模式

rewind()：將 position 重置爲 0 ，通常用於重複讀。

clear() ：

compact(): 將未讀取的數據拷貝到 buffer 的頭部位。

mark(): reset():mark 能夠標記一個位置， reset 能夠重置到該位置。

Buffer 常見類型： ByteBuffer 、 MappedByteBuffer 、 CharBuffer 、 DoubleBuffer 、 FloatBuffer 、 IntBuffer 、 LongBuffer 、 ShortBuffer 。

3）基本操做

Buffer基礎操做： 連接

緩衝區分片，緩衝區分配，直接緩存區，緩存區映射，緩存區只讀：連接

4）緩衝區存取數據流程

存數據時position會++，當中止數據讀取的時候

調用flip()，此時limit=position，position=0

讀取數據時position++，一直讀取到limit

clear() 清空 buffer ，準備再次被寫入 (position 變成 0 ， limit 變成 capacity) 。

5.通道Channel

通道是一個對象，經過它能夠讀取和寫入數據，固然了全部數據都經過Buffer對象來處理。咱們永遠不會將字節直接寫入通道中，相反是將數據寫入包含一個或者多個字節的緩衝區。一樣不會直接從通道中讀取字節，而是將數據從通道讀入緩衝區，再從緩衝區獲取這個字節。

在NIO中，提供了多種通道對象，而全部的通道對象都實現了Channel接口。它們之間的繼承關係以下圖所示：

1）使用NIO讀取數據

在前面咱們說過，任什麼時候候讀取數據，都不是直接從通道讀取，而是從通道讀取到緩衝區。因此使用NIO讀取數據能夠分爲下面三個步驟：

從FileInputStream獲取Channel

建立Buffer

將數據從Channel讀取到Buffer中

2）使用NIO寫入數據

使用NIO寫入數據與讀取數據的過程相似，一樣數據不是直接寫入通道，而是寫入緩衝區，能夠分爲下面三個步驟：

從FileInputStream獲取Channel

建立Buffer

將數據從Channel寫入到Buffer中

6.反應堆

1）阻塞IO模型

在老的IO包中，serverSocket和socket都是阻塞式的，所以一旦有大規模的併發行爲，而每個訪問都會開啓一個新線程。這時會有大規模的線程上下文切換操做（由於都在等待，因此資源全都被已有的線程吃掉了），這時不管是等待的線程仍是正在處理的線程，響應率都會降低，而且會影響新的線程。

2）NIO

Java NIO是在jdk1.4開始使用的，它既能夠說成「新IO」，也能夠說成非阻塞式I/O。下面是java NIO的工做原理：

1.由一個專門的線程來處理全部的IO事件，並負責分發。

2.事件驅動機制：事件到的時候觸發，而不是同步的去監視事件。

3.線程通信：線程之間經過wait,notify等方式通信。保證每次上下文切換都是有意義的。減小無謂的線程切換。

注：每一個線程的處理流程大概都是讀取數據，解碼，計算處理，編碼，發送響應。

7.選擇器

傳統的 server / client 模式會基於 TPR ( Thread per Request ) ．服務器會爲每一個客戶端請求創建一個線程．由該線程單獨負貴處理一個客戶請求。這種模式帶未的一個問題就是線程數是的劇增．大量的線程會增大服務器的開銷，大多數的實現爲了不這個問題，都採用了線程池模型，並設置線程池線程的最大數量，這又帶來了新的問題，若是線程池中有 200 個線程，而有 200 個用戶都在進行大文件下載，會致使第 201 個用戶的請求沒法及時處理，即使第 201 個用戶只想請求一個幾 KB 大小的頁面。傳統的 Sorvor / Client 模式以下圍所示：

NIO 中非阻塞IO採用了基於Reactor模式的工做方式，IO調用不會被阻塞，相反是註冊感興趣的特色IO事件，如可讀數據到達，新的套接字等等，在發生持定率件時，系統再通知咱們。 NlO中實現非阻塞IO的核心設計Selector，Selector就是註冊各類IO事件的地方，並且當那些事件發生時，就是這個對象告訴咱們所發生的事件。

當有讀或者寫等任何註冊的事件發生時，能夠從Selector中得到相應的SelectionKey，同時從SelectionKey中能夠找到發生的事件和該事件所發生的具體的SelectableChannel，以得到客戶端發送過來的數據。

使用NIO中非阻塞IO編寫服務器處理程序，有三個步驟

1.向Selector對象註冊感興趣的事件

2.從Selector中獲取感興趣的事件

3.根據不一樣事件進行相應的處理

8.NIO源碼分析

Selector是NIO的核心

epool模型

1）Selector

Selector的open

2）ServerSocketChannel

ServerSocketChannel.open

9.AIO

Asynchronous IO

異步非阻塞IO

BIO ServerSocket

NIO ServerSocketChannel

AIO AsynchronousServerSocketChannel

AIO通訊

看完本文的同窗都掌握了嗎，還沒掌握的同窗能夠收藏喲，也能夠轉給其餘須要的同窗。