• JAVA IO
• • 分類：
  • 幾種IO 模型
  • • 1. 阻塞 IO 模型
    • 2. 非阻塞 IO 模型
• JAVA NIO
• • • 多路復用 IO 模型（即Java中的NIO）

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JAVA IO

思維導圖：

分類：

按照流的方向：輸入流（inputStream）和輸出流（outputStream）。
按照實現功能分：節點流（可以從或向一個特定的地方（節點）讀寫數據。如FileReader）和處理流（是對一個已存在的流的連接和封裝，通過所封裝的流的功能調用實現數據讀寫。如BufferedReader。處理流的構造方法總是要帶一個其他的流對象做參數。一個流對象經過其他流的多次包裝，稱為流的鏈接。）
按照處理數據的單位：字節流和字符流。字節流繼承于InputStream 和OutputStream，字符流繼承于
InputStreamReader 和OutputStreamWriter。

一些常見的InputStream子類：
ByteArrayInputStream 字節數組輸?流 ： 把內存中的?個緩沖區作為 InputStream 使?PipedInputStream 管道輸?流： 實現了pipe 管道的概念，主要在線程中使?SequenceInputStream 順序輸?流：把多個 InputStream 合并為?個 InputStream
FilterOutputStream 過濾輸?流：其他輸?流的包裝。
ObjectInputStream 反序列化輸?流 ： 將之前使? ObjectOutputStream 序列化的原始數據恢復為對象，以流的?式讀取對象
DataInputStream : 數據輸?流允許應?程序以與機器?關?式從底層輸?流中讀取基本 Java 數據類型。
PushbackInputStream 推回輸?流： 緩沖的?個新穎的?法是實現推回 （pushback） 。
Pushback ?于輸?流允許字節被讀取然后返回到流。

幾種IO 模型

1. 阻塞 IO 模型

最傳統的一種 IO 模型，即在讀寫數據過程中會發生阻塞現象。當用戶線程發出 IO 請求之后，內核會去查看數據是否就緒，如果沒有就緒就會等待數據就緒，而用戶線程就會處于阻塞狀態，用戶線程交出CPU。當數據就緒之后，內核會將數據拷貝到用戶線程，并返回結果給用戶線程，用戶線程才解除block 狀態。典型的阻塞 IO 模型的例子為：data = socket.read();如果數據沒有就緒，就會一直阻塞在read 方法。
java中，默認創建的socket都是阻塞的。
在java中發起一個socket的read讀操作的系統調用，流程大致如下：
（1）從Java啟動IO讀的read系統調用開始，用戶線程就進入阻塞狀態。
（2）當系統內核收到read系統調用，就開始準備數據。一開始，數據可能還沒有到達內核緩沖區（例如，還沒有收到一個完整的socket數據包），這個時候內核就要等待。
（3）內核一直等到完整的數據到達，就會將數據從內核緩沖區復制到用戶緩沖區（用戶空間的內存），然后內核返回結果（例如返回復制到用戶緩沖區中的字節數）。
（4）直到內核返回后，用戶線程才會解除阻塞的狀態，重新運行起來。 總之，阻塞IO的特點是：在內核進行IO執行的兩個階段，用戶線程都被阻塞了。 阻塞IO的優點是：應用的程序開發非常簡單；在阻塞等待數據期間，用戶線程掛起。在阻塞期間，用戶線程基本不會占用CPU資源。 阻塞IO的缺點是：一般情況下，會為每個連接配備一個獨立的線程；反過來說，就是一個線程維護一個連接的IO操作。在并發量小的情況下，這樣做沒有什么問題。但是，當在高并發的應用場景下，需要大量的線程來維護大量的網絡連接，內存、線程切換開銷會非常巨大。因此，基本上阻塞IO模型在高并發應用場景下是不可用的。

解釋同步與異步：
同步IO,指的是一種用戶空間與內核空間的IO發起方式，同步IO是指用戶空間的線程是主動發起IO請求的一方，內核空間是被動接受方，異步IO則反過來，是指系統內核是主動發起IO請求的一方，用戶空間的線程是被動接收方。

2. 非阻塞 IO 模型

這里說明一下，同步非阻塞IO，可以簡稱為NIO，但是，它不是Java中的NIO，雖然它們的英文縮寫一樣，希望大家不要混淆。Java的NIO（New IO），對應的不是四種基礎IO模型中的NIO（None Blocking IO）模型，而是另外的一種模型，叫作IO多路復用模型（IO Multiplexing）。

socket連接默認是阻塞模式，在Linux系統下，可以通過設置將socket變成為非阻塞的模式（Non-Blocking）。使用非阻塞模式的IO讀寫，叫作同步非阻塞IO（None Blocking IO），簡稱為NIO模式。在NIO模型中，應用程序一旦開始IO系統調用，會出現以下兩種情況：
（1）在內核緩沖區中沒有數據的情況下，系統調用會立即返回，返回一個調用失敗的信息。
（2）在內核緩沖區中有數據的情況下，是阻塞的，直到數據從內核緩沖復制到用戶進程緩沖。復制完成后，系統調用返回成功
舉個例子。發起一個非阻塞socket的read讀操作的系統調用，流程如下：
（1）在內核數據沒有準備好的階段，用戶線程發起IO請求時，立即返回。所以，為了讀取到最終的數據，用戶線程需要不斷地發起IO系統調用。
（2）內核數據到達后，用戶線程發起系統調用，用戶線程阻塞。內核開始復制數據，它會將數據從內核緩沖區復制到用戶緩沖區（用戶空間的內存），然后內核返回結果（例如返回復制到的用戶緩沖區的字節數）。
（3）用戶線程讀到數據后，才會解除阻塞狀態，重新運行起來。也就是說，用戶進程需要經過多次的嘗試，才能保證最終真正讀到數據，而后繼續執行。 同步非阻塞IO的特點：應用程序的線程需要不斷地進行IO系統調用，輪詢數據是否已經準備好，如果沒有準備好，就繼續輪詢，直到完成IO系統調用為止。 同步非阻塞IO的優點：每次發起的IO系統調用，在內核等待數據過程中可以立即返回。用戶線程不會阻塞，實時性較好。 同步非阻塞IO的缺點：不斷地輪詢內核，這將占用大量的CPU時間，效率低下。 總體來說，在高并發應用場景下，同步非阻塞IO也是不可用的。一般Web服務器不使用這種IO模型。這種IO模型一般很少直接使用，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO這一特性。在Java的實際開發中，也不會涉及這種模型。

當用戶線程發起一個read 操作后，并不需要等待，而是馬上就得到了一個結果。如果結果是一個error 時，它就知道數據還沒有準備好，于是它可以再次發送read 操作。一旦內核中的數據準備好了，并且又再次收到了用戶線程的請求，那么它馬上就將數據拷貝到了用戶線程，然后返回。 所以事實上，在非阻塞 IO 模型中，用戶線程需要不斷地詢問內核數據是否就緒，也就說非阻塞 IO 不會交出CPU，而會一直占用CPU。典型的非阻塞IO 模型一般如下：

while(true){ data = socket.read(); if(data!= error){ 處理數據break; } }

但是對于非阻塞IO 就有一個非常嚴重的問題，在 while 循環中需要不斷地去詢問內核數據是否就緒，這樣會導致CPU 占用率非常高，因此一般情況下很少使用 while 循環這種方式來讀取數據。

簡單來說，阻塞是指用戶空間（調用線程）一直在等待，而不能干別的事情，非阻塞是指用戶空間（調用線程）拿到內核返回的狀態值就返回自己的空間，IO操作可以干就干，不可以干就干別的事情。
非阻塞IO要求socket被設置為NONBLOCK。

信號驅動 IO 模型
在信號驅動 IO 模型中，當用戶線程發起一個 IO 請求操作，會給對應的socket 注冊一個信號函數，然后用戶線程會繼續執行，當內核數據就緒時會發送一個信號給用戶線程，用戶線程接收到信號之后，便在信號函數中調用 IO 讀寫操作來進行實際的 IO 請求操作。

異步 IO 模型
異步 IO 模型才是最理想的 IO 模型，在異步 IO 模型中，當用戶線程發起read 操作之后，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從內核的角度，當它收到一個asynchronous read 之后， 它會立刻返回，說明read 請求已經成功發起了，因此不會對用戶線程產生任何 block。然后，內核會等待數據準備完成，然后將數據拷貝到用戶線程，當這一切都完成之后，內核會給用戶線程發送一個信號，告訴它read 操作完成了。也就說用戶線程完全不需要實際的整個 IO 操作是如何進行的，只需要先發起一個請求，當接收內核返回的成功信號時表示 IO 操作已經完成，可以直接去使用數據了。
這有點類似JAVA中的回調模式，用戶空間的線程向內核空間注冊了各種IO事件的回調函數，由內核去主動調用。

也就說在異步 IO 模型中，IO 操作的兩個階段都不會阻塞用戶線程，這兩個階段都是由內核自動完成，然后發送一個信號告知用戶線程操作已完成。用戶線程中不需要再次調用 IO 函數進行具體的讀寫。這點是和信號驅動模型有所不同的，在信號驅動模型中，當用戶線程接收到信號表示數據 已經就緒，然后需要用戶線程調用 IO 函數進行實際的讀寫操作；而在異步 IO 模型中，收到信號表示 IO 操作已經完成，不需要再在用戶線程中調用 IO 函數進行實際的讀寫操作。

JAVA NIO

多路復用 IO 模型（即Java中的NIO）

多路復用 IO 模型是目前使用得比較多的模型。即經典的Reactor反應器設計模式，有時也稱異步阻塞IO。JAVA的selector選擇器和LINUX的epoll都是這種模型。
如何避免同步非阻塞IO模型中輪詢等待的問題呢？這就是IO多路復用模型。

Java NIO 實際上就是多路復用IO。在多路復用 IO 模型中，會有一個線程不斷去輪詢多個socket 的狀態，只有當 socket 真正有讀寫事件時，才真正調用實際的 IO 讀寫操作。因為在多路復用 IO 模型中，只需要使用一個線程就可以管理多個socket，系統不需要建立新的進程或者線程，也不必維護這些線程和進程，并且只有在真正有socket 讀寫事件進行時，才會使用 IO 資源，所以它大大減少了資源占用。在Java NIO 中，是通過 selector.select()去查詢每個通道是否有到達事件，如果沒有事件，則一直阻塞在那里，因此這種方式會導致用戶線程的阻塞。多路復用 IO 模式，通過一個線程就可以管理多個socket，只有當socket 真正有讀寫事件發生才會占用資源來進行實際的讀寫操作。因此，多路復用 IO 比較適合連接數比較多的情況。

舉個例子來說明IO多路復用模型的流程。發起一個多路復用IO的read讀操作的系統調用，流程如下：
（1）選擇器注冊。在這種模式中，首先，將需要read操作的目標socket網絡連接，提前注冊到select/epoll選擇器中，Java中對應的選擇器類是Selector類。然后，才可以開啟整個IO多路復用模型的輪詢流程。
2）就緒狀態的輪詢。通過選擇器的查詢方法，查詢注冊過的所有socket連接的就緒狀態。通過查詢的系統調用，內核會返回一個就緒的socket列表。當任何一個注冊過的socket中的數據準備好了，內核緩沖區有數據（就緒）了，內核就將該socket加入到就緒的列表中。 當用戶進程調用了select查詢方法，那么整個線程會被阻塞掉。
（3）用戶線程獲得了就緒狀態的列表后，根據其中的socket連接，發起read系統調用，用戶線程阻塞。內核開始復制數據，將數據從內核緩沖區復制到用戶緩沖區。
（4）復制完成后，內核返回結果，用戶線程才會解除阻塞的狀態，用戶線程讀取到了數據，繼續執行。 IO多路復用模型的流程如圖：

另外多路復用 IO 為何比非阻塞 IO 模型的效率高是因為在非阻塞 IO 中，不斷地詢問socket 狀態時通過用戶線程去進行的，而在多路復用 IO 中，輪詢每個 socket 狀態是內核在進行的，這個效率要比用戶線程要高的多。

IO多路復用模型的特點：IO多路復用模型的IO涉及兩種系統調用（System Call），另一種是select/epoll（就緒查詢），一種是IO操作。IO多路復用模型建立在操作系統的基礎設施之上，即操作系統的內核必須能夠提供多路分離的系統調用select/epoll。 多路復用IO也需要輪詢。負責select/epoll狀態查詢調用的線程，需要不斷地進行select/epoll輪詢，查找出達到IO操作就緒的socket連接。 IO多路復用模型與同步非阻塞IO模型是有密切關系的。對于注冊在選擇器上的每一個可以查詢的socket連接，一般都設置成為同步非阻塞模型。僅是這一點，對于用戶程序而言是無感知的。
IO多路復用模型的優點：與一個線程維護一個連接的阻塞IO模式相比，使用select/epoll的最大優勢在于，一個選擇器查詢線程可以同時處理成千上萬個連接（Connection）。系統不必創建大量的線程，也不必維護這些線程，從而大大減小了系統的開銷。 在Linux系統上，使用的是epoll系統調用。

不過要注意的是，多路復用 IO 模型是通過輪詢的方式來檢測是否有事件到達，并且對到達的事件逐一進行響應。因此對于多路復用 IO 模型來說，一旦事件響應體很大，那么就會導致后續的事件遲遲得不到處理，并且會影響新的事件輪詢。
NIO 的特點：事件驅動模型、單線程處理多任務、非阻塞 I/O，I/O 讀寫不再阻塞，而是返回 0、基于 block 的傳輸比基于流的傳輸更高效、更高級的 IO 函數 zero-copy、IO 多路復用大大提高了 Java 網絡應用的可伸縮性和實用性?；?Reactor 線程模型。

NIO(new io) 主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(緩沖區), Selector。傳統 IO 基于字節流和字符流進行操作，而NIO 基于 Channel 和 Buffer(緩沖區)進行操作，數據總是從通道讀取到緩沖區中，或者從緩沖區寫入到通道中。Selector(選擇區)用于監聽多個通道的事件（比如：連接打開， 數據到達）。因此，單個線程可以監聽多個數據通道。

NIO 和傳統 IO 之間第一個最大的區別是，IO 是面向流的，NIO 是面向緩沖區的。

NIO 的緩沖區
Java IO 面向流意味著每次從流中讀一個或多個字節，直至讀取所有字節，它們沒有被緩存在任何地方。此外，它不能前后移動流中的數據。如果需要前后移動從流中讀取的數據，需要先將它緩 存到一個緩沖區。NIO 的緩沖導向方法不同。數據讀取到一個它稍后處理的緩沖區，需要時可在緩沖區中前后移動。這就增加了處理過程中的靈活性。但是，還需要檢查是否該緩沖區中包含所 有您需要處理的數據。而且，需確保當更多的數據讀入緩沖區時，不要覆蓋緩沖區里尚未處理的 數據。

NIO 的非阻塞
IO 的各種流是阻塞的。這意味著，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，或數據完全寫入。該線程在此期間不能再干任何事情了。 NIO 的非阻塞模式， 使一個線程從某通道發送請求讀取數據，但是它僅能得到目前可用的數據，如果目前沒有數據可用時，就什么都不會獲取。而不是保持線程阻塞，所以直至數據變的可以讀取之前，該線程可以繼續做其他的事情。 非阻塞寫也是如此。一個線程請求寫入一些數據到某通道，但不需要等待它完全寫入，這個線程同時可以去做別的事情。 線程通常將非阻塞 IO 的空閑時間用于在其它通道上執行 IO 操作，所以一個單獨的線程現在可以管理多個輸入和輸出通道（channel）。

Channel
首先說一下Channel，國內大多翻譯成“通道”。Channel 和 IO 中的 Stream(流)是差不多一個等級的。只不過 Stream 是單向的，譬如：InputStream, OutputStream，而 Channel 是雙向的，既可以用來進行讀操作，又可以用來進行寫操作。表示 IO 源與目標打開的連接，是雙向的，但不能直接訪問數據，只能與 Buffer進行交互。通過源碼可知，FileChannel 的 read 方法和 write 方法都導致數據復制了兩次.
NIO 中的 Channel 的主要實現有：

1. FileChannel
2. DatagramChannel
3. SocketChannel
4. ServerSocketChannel
這里看名字就可以猜出個所以然來：分別可以對應文件 IO、UDP 和 TCP（Server 和 Client）。

Buffer
Buffer，故名思意，緩沖區，實際上是一個容器，是一個連續數組。Channel 提供從文件、網絡讀取數據的渠道，但是讀取或寫入的數據都必須經由 Buffer。

上面的圖描述了從一個客戶端向服務端發送數據，然后服務端接收數據的過程?？蛻舳税l送數據時，必須先將數據存入 Buffer 中，然后將 Buffer 中的內容寫入通道。服務端這邊接收數據必須通過 Channel 將數據讀入到 Buffer 中，然后再從 Buffer 中取出數據來處理。

在 NIO 中，Buffer 是一個頂層父類，它是一個抽象類，常用的 Buffer 的子類有： ByteBuffer、IntBuffer、 CharBuffer、 LongBuffer、 DoubleBuffer、FloatBuffer、ShortBuffer

Selector
Selector 類是 NIO 的核心類，Selector 能夠檢測多個注冊的通道上是否有事件發生，如果有事件發生，便獲取事件然后針對每個事件進行相應的響應處理。這樣一來，只是用一個單線程就可以管理多個通道，也就是管理多個連接。這樣使得只有在連接真正有讀寫事件發生時，才會調用函數來進行讀寫，就大大地減少了系統開銷，并且不必為每個連接都創建一個線程，不用去維護多個線程，并且避免了多線程之間的上下文切換導致的開銷。open 方法可創建 Selector，register 方法向多路復用器器注冊通道，可以監聽的事件類型：讀、寫、連接、accept。注冊事件后會產
生一個 SelectionKey：它表示 SelectableChannel 和 Selector 之間的注冊關系，wakeup 方法：使尚未返回的第一個選擇操作立即返回，喚醒的原因是：注冊了新的 channel 或者事
件；channel 關閉，取消注冊；優先級更高的事件觸發（如定時器事件），希望及時處理。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【学习笔记】JAVA IO与NIO（new IO)的对比与不同IO模型的理解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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