文章目錄
- 一、IO讀寫原理
- 二、四種主要的IO模型
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- 概念
- 1.同步阻塞 BIO
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- BIO程式設計
- 2.同步非阻塞 NIO
- 3.IO多路複用
- 4.異步非阻塞 AIO
一、IO讀寫原理
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檔案的讀寫還是socket讀寫,再Java應用層開發,都是 input或者 output處理。使用者程式進行的IO讀寫,會用到 read&write（核心态） 兩大系統調用。
read：将資料從核心緩沖區複制到程序緩沖區
write：把資料從程序緩沖區複制到核心緩沖區
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核心緩沖區 和 程序緩存區
使用者程序（N個）：處于使用者态（使用者空間）
系統空間：核心态。在使用者态需要通路系統資源，需要借助核心态，系統資源主要有：
1）CPU：控制一個程式的執行
2）輸入輸出：一切都是流，所有流都需要借助核心态
3）程序管理：程序建立、銷毀、阻塞、喚醒之間的排程
4）記憶體：記憶體的申請、釋放
5）程序間通信：程序之間不能互相通路記憶體，是以程序
以上所提到的系統資源，再使用者程序中是無法被直接通路的，隻有通過作業系統來通路，是以把作業系統通路這一功能稱之為系統調用。
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緩沖區的目的，是為了減少頻繁的系統IO調用
系統調用需要從使用者态切換到核心态，切換之後儲存使用者程序的資料和狀态等資訊。結束調用之後會需要恢複之前的資訊，為了減少這種損耗的時間，還有損耗性能的時間，是以出現了緩沖區。
- 有了緩沖區，作業系統使用 read從核心緩沖區複制到程序緩沖區，write從程序緩沖區複制到核心緩沖區，隻有緩沖區中的資料達到一定的量，再進行IO的系統調用，提升了系統的性能。
- Java IO讀寫底層的流程圖：
網絡模型（Java中的IO模型）一、IO讀寫原理二、四種主要的IO模型
二、四種主要的IO模型
概念
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阻塞IO：需要核心IO操作徹底完成之後，才傳回到使用者空間，執行使用者的操作
非阻塞IO：不需要等待核心IO操作徹底完成之後，才傳回到使用者空間
阻塞/非阻塞 指的是使用者空間程式的執行狀态
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同步IO：是使用者空間線程和核心空間線程的互動，使用者空間線程是主動發起IO請求的一方，核心空間線程指的是被動接收的一方
異步IO：與上面相反
1.同步阻塞 BIO
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jdk1.4之前，IO模型都采用的BIO模型。
需要先在伺服器端啟動一個ServerSocket，然後在用戶端啟動Socket與伺服器端進行通信，伺服器端調用accept方法來接收用戶端的連接配接請求，一旦接收上連接配接請求，就可以建立套接字，在這個套接字上進行讀寫操作，此時不能再接收其他用戶端的連接配接請求，隻能等待目前連接配接的用戶端的執行操作完成。
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JDK1.4開始，出現同步阻塞式IO
處理多個用戶端請求，使用多線程
網絡模型（Java中的IO模型）一、IO讀寫原理二、四種主要的IO模型 優點：使用者線程阻塞等待資料期間，不會占用CPU資源
缺點：BIO模型在高并發的場景下是不可用的
BIO程式設計
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伺服器端
1）建立ServerSocket執行個體
2）綁定端口
3）通過accept方法監聽用戶端的連接配接，有用戶端連接配接會傳回socket執行個體
4）進行讀寫操作
5）關閉資源
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伺服器端如何設計為可處理很多用戶端的連接配接？
主線程負責接收用戶端連接配接，子線程負責和用戶端互動。
代碼實作：
//子線程
class HandlerThread extends Thread{
private Socket socket;
public HandlerThread(Socket socket){
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {//重寫run方法
try {
//讀取用戶端的請求資訊
OutputStream output = null;
BufferedReader reader = null;
while(true){
reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
String msg = reader.readLine();
System.out.println("用戶端："+socket.getRemoteSocketAddress()+"，發送的資訊為："+msg);
//給用戶端回複
output = socket.getOutputStream();//擷取輸出流
//控制台讀取資料
reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
String info = reader.readLine();
output.write((info+"\n").getBytes());
output.flush();
if("".equals(info) || "exit".equals(info)) break;
}
//關閉資源
reader.close();
output.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
System.out.println("用戶端："+socket.getRemoteSocketAddress()+"關閉了");
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
//主線程
public class MyBIOServer {
public static void main(String[] args) {
ServerSocket ssocket = null;
try {
//建立ServerSocket執行個體
ssocket = new ServerSocket();
//綁定端口
ssocket.bind(new InetSocketAddress(9999));
System.out.println("伺服器端啟動了...");
while(true){
//通過accept方法監聽用戶端的連接配接，有用戶端連接配接會傳回socket執行個體
Socket socket = ssocket.accept(); //這個方法是一個阻塞方法
System.out.println("有新的用戶端連接配接："+socket.getRemoteSocketAddress());
//将socket執行個體交給子線程去處理
new HandlerThread(socket).start();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if(ssocket != null){
try {
ssocket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
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用戶端
1）建立socket執行個體
2）通過connect去指定伺服器端的IP和端口
3）進行讀寫操作
4）關閉資源
代碼實作：
public class MyBIOClient {
public static void main(String[] args) {
Socket socket = null;
try {
//建立Socket執行個體
socket = new Socket();
//連接配接伺服器端，通過connect綁定IP位址和端口号
socket.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9999));
System.out.println("用戶端啟動了...");
//進行讀寫操作
while(true){
//寫操作
OutputStream output = socket.getOutputStream();
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
output.write((reader.readLine()+"\n").getBytes());
output.flush();
//讀操作
reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
String msg = reader.readLine();
System.out.println("伺服器響應資訊為："+msg);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if(socket != null){
try {
socket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
2.同步非阻塞 NIO
NIO的内容在NIO模型中具體描述。
3.IO多路複用
- 通過一個新的系統調用 select/epoll 系統調用，實作一個程序監視多個檔案描述符（唯一ID）。一旦某個描述符就緒(核心緩沖區可讀/可寫)，核心能夠通知使用者程式進行IO系統調用。
- 以線程為例：單個線程不斷的輪詢 select/epoll 系統調用 所負責多個socket連接配接，當某個socket連接配接有資料到達，就傳回這些可以讀寫的連接配接。
網絡模型（Java中的IO模型）一、IO讀寫原理二、四種主要的IO模型 -
特點：
與NIO模型類似，多路複用IO需要輪詢負責select/epoll查詢調用的線程，查找出可以進行IO操作的一個連接配接，對于每一個可以查詢的socket，一般需要設定為non-blocking。
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優點：
select/epoll 可以同時處理成百上千的連接配接，與之前的一個線程維護一個連接配接相比，IO多路複用則不需要建立線程，也就不需要維護，進而減少系統開銷。
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缺點：
select/epoll系統調用，屬于阻塞的模式，同步IO。讀寫事件就緒之後，使用者自己進行讀寫，這個讀寫過程也是阻塞的。
4.異步非阻塞 AIO
- 使用者線程發起系統調用，告知核心啟動某個IO操作，使用者線程直接傳回。核心在整個IO操作(資料準備，資料複制完成之後，調用回調函數通知使用者程式（已就緒），使用者執行後續的業務操作。
網絡模型（Java中的IO模型）一、IO讀寫原理二、四種主要的IO模型 -
特點：
分為兩個等待過程，等待資料就緒，等待資料拷貝，而在這兩個等待過程中使用者線程都不是block的，等這兩個操作完成之後，使用者線程就會收到一個信号。是以AIO又稱之為信号驅動IO。
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缺點：
需要事件的注冊，就需要作業系統，對系統資源和記憶體資源消耗大。
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java.nio.channels包：
AsynchronousServerSocketChannel 伺服器資料通道
AsynchronousSocketChannel 用戶端通道
AsynchronousDatagramChannel 基于UDP的通道
AsynchronousFIleChannel 操作檔案
- 異步非阻塞，伺服器端實作一個一個線程，異步執行目前用戶端請求，用戶端的請求都是作業系統完成再去通知伺服器端處理，是以這個AIO主要用于連接配接數多同時請求比較複雜的系統架構。
BIO NIO AIO三個網絡模型的适用場景:
| 模型 | 适用場景 |
|---|---|
| BIO | 連接配接數目少的系統架構,同時也需要伺服器資源充足,雖然效率不高,但是程式… |
| NIO | 連接配接數目比較多以及連接配接時間短的系統架構,例如聊天伺服器,程式設計比較複雜 |
| AIO | 連接配接數目比較多以及連接配接時間長的系統架構,充分調用作業系統參與并發,不管是業務邏輯,還是并發邏輯,都需要作業系統的支援,是以不同的作業系統,性能也是不同的 |