Nio原理详解

2022-05-17 09:51:42
1668次星辉

1. 阻塞和同步

(1)阻塞(Block)和非租用(NonBlock)：

阻塞和非阻塞是在进程访问数据时处理数据是否就绪的一种方式。数据未就绪时阻塞：往往需要等待缓冲区中的数据就绪后再处理其他事情，否则会一直阻塞队列。在那里等着。

非阻塞：当我们的进程访问我们的数据缓冲区时，如果数据没有准备好，则直接返回，无需等待。如果数据准备好了，也直接返回

(2)同步和异步方法：

同步和异步都基于应用程序的私有操作系统处理 IO 事件的方式。比如同步：应用程序直接参与IO读写操作。异步：所有IO读写都交给操作系统处理，应用只需要等待通知即可。

在同步模式下处理IO事件时，必须阻塞在某个方法上，等待我们的IO事件完成(阻塞IO事件或者通过轮询IO事件)。对于异步，所有的IO读写都交给操作系统来推。这时候，我们可以做其他事情，而不是完成真正的IO操作。当操作完成 IO 时，它会给我们的应用程序一个通知

同步：阻塞直到 IO 事件，阻塞直到读变为写。这时候我们根本不能自己动手，让读写方法加到线程中，然后阻塞线程来实现，线程的性能开销比较大。

2.BIO与NIO的对比

块 IO 和非块 IO

(1)区别

IO模型	I	NIO
方式	从硬盘到内存	从内存到硬盘
沟通	面对溪流（乡间小路）	面向缓存（高速公路、多路复用技术）
处理	阻塞 IO（多线程）	非阻塞 IO（反应堆）
扳机	没有	选择器（轮询机制）

(2)Stream Oriented vs Buffer Oriented

Java NIO 和 IO 的第一个大区别是 IO 是面向流的。NIO 是面向缓冲区的。Java IO是面向流的，意味着每次从流中读取一个字节，直到所有字节都被读取完毕，它们不会被缓存到任何地方，而且它不能在流中来回移动数据。如果需要来回移动从流中读取的数据，则需要先将其缓冲在缓冲区中。Java NIO 的面向缓冲区的方法略有不同。数据被读入稍后处理的缓冲区，根据需要在缓冲区中来回移动。这增加了处理的灵活性。但是，您还需要检查缓冲区是否包含您需要处理的所有数据。另外，确保当更多数据被读入缓冲区时，它不会覆盖缓冲区中未处理的数据。

(3)阻塞和非阻塞Java IO的各种流都是阻塞的。

这意味着当线程调用 read() 或 write() 时，线程会被阻塞，直到读取了一些数据，或者数据被完全写入。在此期间线程不能再做任何事情。Java NIO 的非阻塞模式使线程可以发送请求从通道读取数据，但它只能获取当前可用的数据。如果当前没有可用的数据，它不会得到任何东西。线程可以继续做其他事情，直到数据可供读取，而不是保持线程阻塞。非阻塞写入也是如此。线程请求将一些数据写入通道，但不需要等待它完全写入，线程可以在此期间做其他事情。线程通常会花费非阻塞 IO 空闲时间在其他通道上执行 IO 操作，因此单个线程现在可以管理多个输入和输出通道(通道)。

(4)选择器(Selector)

Java NIO的选择器允许单线程监控多个输入通道，可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用单独的线程“选择”通道：这些通过已经有传入可以被处理，或者选择一个准备好写入的通道。这种选择机制使单个线程可以轻松管理多个通道。

(5)NIO和BIO读取文件

BIO读取文件

BIO从阻塞流中逐行读取数据

NIO读取文件：

通道是数据的载体，缓冲区是数据存放的地方，线程从缓冲区中检查数据并每次通知通道

(6)处理数据的线程数

NIO：一个线程管理多个连接

BIO：一个线程管理一个连接

3.蔚来简介

在 Java 1.4 之前的 I/O 系统中，提供的都是面向流的 I/O 系统。系统一次处理一个字节的数据，一个输入流产生一个字节的数据，一个输出流消耗一个字节面向流的I/O很慢，Java 1.4引入了NIO，是面向块的输入输出系统。系统以块为单位进行处理，每个操作都是一步生成或消耗的。对于数据库，以块为单位处理数据比以字节为单位处理数据要快得多。

NIO中有几个核心对象需要掌握：Buffer、Channel、Selector。

4. 缓冲

缓冲区实际上是一个容器对象，或者更直接地说，它实际上是一个数组。在 NIO 库中，所有数据都使用缓冲区进行处理。读取数据时，直接读入缓冲区;写入数据时，也写入缓冲区;每次访问 NIO 中的数据时，都会将其放入缓冲区。在面向流的 I/O 系统中，所有数据都直接写入或直接读取到 Stream 对象中。

在 NIO 中，所有的缓冲区类型都继承自抽象类 Buffer。最常用的是ByteBuffer。对于Java中的基本类型，基本上都有特定的Buffer类型与之对应。它们之间的继承关系如下图所示。

(1)四个属性的

含义如下：

容量：缓冲区可以容纳的最大数据元素数。此容量是在创建缓冲区时设置的，并且永远无法更改。

上限(Limit)：缓冲区的第一个不能被读写的元素。换句话说，缓冲区中现有元素的计数。

位置：要读取或写入的下一个元素的索引。该位置由相应的 get( ) 和 put( ) 函数自动更新。

标记：要读取或写入的下一个元素的索引。该位置由相应的 get( ) 和 put( ) 函数自动更新。

(2)Buffer的常用方法如下：

flip()：将写模式转换为读模式

rewind()：将位置重置为0，一般用于重复读。

clear() :

compact(): 将未读数据复制到缓冲区的头部。

mark(): reset():mark 可以标记一个位置，reset 可以重置到那个位置。

缓冲区常见类型： ByteBuffer 、 MappedByteBuffer 、 CharBuffer 、 DoubleBuffer 、 FloatBuffer 、 IntBuffer 、 LongBuffer 、 ShortBuffer 。

(3)基本操作

缓冲区基本操作：链接

缓冲区分片、缓冲区分配、直接缓冲区、缓冲区映射、缓冲区只读：链接

(4) 缓冲区访问数据流

存储数据时，位置为++，停止读取数据时，

调用flip()。此时limit=position，

读取数据时position=0，position++，直到limit

clear()清空缓冲区，准备再次写入(position变为0，limit变为容量)。

5.频道

通道是一个可以读写数据的对象，当然所有的数据都是通过一个Buffer对象来处理的。我们从不直接将字节写入通道，而是将数据写入包含一个或多个字节的缓冲区。此外，不是直接从通道读取字节，而是从通道将数据读取到缓冲区中，然后从缓冲区中检索字节。

在 NIO 中，提供了多种通道对象，所有通道对象都实现了 Channel 接口。它们之间的继承关系如下图所示：

(1)使用NIO读取

数据前面我们说过，每当读取数据时，并不是直接从channel读取，而是从channel读取到buffer。所以使用 NIO 读取数据可以分为以下三个步骤：

1)从 FileInputStream 中获取 Channel

2)创建 Buffer

3)从 Channel 读取数据到 Buffer

示例：链接

(2)使用NIO写入数据

使用NIO写入数据的过程与读取数据的过程类似。同样，数据不是直接写入通道，而是写入缓冲区，可以分为以下三个步骤：

1)从 FileInputStream中获取通道

2)创建缓冲区

3)将数据从通道写入缓冲区

示例：链接

6.反应堆

(1)阻塞IO模型

在旧的IO包中，serverSocket和socket都是阻塞的，所以一旦出现大规模并发行为，每次访问都会开启一个新线程。这时候会有大规模的线程上下文切换操作(因为都在等待，所以资源都被现有线程吃掉了)，这个时候不管是等待线程还是处理线程，响应率会下降，并且影响新线程。

(2) NIO

Java NIO 在 jdk1.4 中使用，可以称为“新 IO”或非阻塞 I/O。下面是java NIO的工作原理：

1)一个专门的线程处理所有的IO事件，负责分发。

2)事件驱动机制：事件到达时触发，而不是同步监听事件。

3)线程通信：线程之间通过wait、notify等方式进行通信，确保每一次上下文切换都是有意义的。减少不必要的线程切换。

注意：每个线程的处理流程大概是读取数据、解码、计算、编码、发送响应。

7. 选择器

传统的服务器/客户端模型将基于 TPR(每个请求的线程)。服务器将为每个客户端请求创建一个线程。该线程单独处理客户端请求。这个模型的一个问题是线程的数量急剧增加。大量线程会增加服务器的开销。为了避免这个问题，大多数实现都采用线程池模型，并设置线程池中的最大线程数，这带来了新的问题。如果线程池1线程中有200个线程，有200个用户在下载大文件，那么第201个用户的请求无法及时处理，即使第201个用户只想请求几个KB大小的页面。传统的 Sorvor/Client 模式如下：

NIO 中的非阻塞 IO 采用基于 Reactor 模式的工作方式，IO 调用不会被阻塞，而是注册具有有趣特性的 IO 事件，例如可读数据的到来， new Sockets等，系统会在发生hold rate事件时通知我们。Selector，NlO中非阻塞IO的核心设计，是注册各种IO事件的地方，当这些事件发生时，这个对象告诉我们发生了什么。