I/O 模型

2023-06-13

Java I/O模型是用于描述Java程序中数据输入输出操作、Java I/O模型提供了一组抽象类和接口，用于处理不同类型的输入、输出流和文件系统。

I/O流

流（stream）

Java的I/O基于流（stream）的概念。流是一个抽象概念，表示一组有序的数据，可以从一个地方向另一个地方传输。输入输出的介质有文件、网络、键盘、显示器等。

分类

按流向分【输入输出都是从程序角度】：输入流（Input）、输出流（Output）

按处理类型分：字节流（byte）、字符流（char）

按功能分：节点流（直接和输入输出源交互），处理流（对其他流包装的流，包装流）

在这里插入图片描述

流的种类繁多，但是几乎所有流都是从四个基本流继承而来

InputStream、OutputStream、Reader、Writer

一般以Stream结尾的都是字节流，以Reader/Writer结尾的都是字符流

字节流

计算机系统中，一切都是字节，因此对任何文件的操作都是可以使用一个一个字节进行操作的。字节流以字节为单位进行读写，并且通常与二进制数据打交道，如图像、音频、视频等。Java提供了两个基本的字节流类：InputStream和OutputStream。

字符流

字符流以字符为单位进行读写，并且通常与文本数据打交道，如文本文件等。Java提供了两个基本的字符流类：Reader和Writer。

I/O模型

Java I/O模型是用于描述Java程序中数据输入输出操作、Java I/O模型提供了一组抽象类和接口，用于处理不同类型的输入、输出流和文件系统。

BIO

BIO (Blocking I/O)是Java I/O模型中最常见的模型。在这个模型中，当一个线程需要读取或写入数据时，它会一直阻塞，直到所有数据都被读取或写入完成。这种方式非常简单，但是如果需要同时处理多个客户端连接时，性能将会受到很大影响。

应用程序在发出IO请求后需要一直等待系统内核完成操作，等到请求完成后线程才能执行其他操作。为了避免这种线程一直等待的情况，在数据流之间添加一个缓冲区，内核在数据准备好后先传输到缓冲区中，线程请求后不用一直等待，从缓冲区中读取数据也不用担心数据丢失。这就是接下来NIO的思想。

NIO

new io 或者non-blocking io，是Java中一种基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的IO操作，它提供了与传统的流（Stream）IO 操作不同的IO处理方式。

Channel是一种抽象的数据传输通道，用于在缓冲区buffer和实体之间进行数据传输。

Channel 相当于一个双向管道，可以通过它来读取和写入数据，使用 Channel 进行数据传输时，需要先创建一个缓冲区（Buffer），然后将数据从 Channel 写入缓冲区或从缓冲区读取数据到 Channel 中。这样可以避免直接对底层系统的 I/O 操作，提高了程序的性能和可靠性。Java NIO 提供了多个 Channel 接口的实现类，包括了 FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel 和 DatagramChannel 等。

NIO 的通道类似于流，但有些区别如下：

通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写

通道可以实现异步读写数据

通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲:

NIO 的主要特点是非阻塞式的 IO 处理。在传统的 IO 模型中，当一个线程执行读写操作时，如果数据没有到达或发送完，线程会一直等待，这就是阻塞式 IO。而 NIO 允许线程在没有数据可读写时立即返回，从而释放 CPU 资源，提高系统的并发能力。

NIO 通过 Channel 和 Buffer 来分离输入和输出，数据需要先读入到缓冲区中，然后再从缓冲区写出来，这样可以灵活地控制数据的传输，这也是 NIO 的另一个优势

实现原理

在NIO中，使用Selector和Channel实现同步非阻塞。所有I/O操作都是异步的，在注册事件后可以立即返回，当事件发生时通过调用Selector的select方法来检索已经就绪的事件，并处理相应的数据。

Selector是一个高效的多路复用器，监控多个Channel的状态，并将处于就绪状态的Channel加入到就绪队列中，以提高系统吞吐量和并发性能。主线程负责创建和管理Selector以及所有的Channel，

主线程在NIO中通常是唯一的，负责创建和管理Selector以及所有的Channel，并且通过不断地调用Selector的select方法，检测Channel是否有可读或可写的数据。当数据准备好时，主线程将其传递给子线程进行处理，然后回到主线程，继续监听其他Channel的状态变化。由于Channel的读写操作是非阻塞的，因此主线程永远不会被阻塞，可以充分利用CPU资源。

另外，NIO 还引入了缓冲区 Buffer 的概念，数据需要先读入到缓冲区中，然后再从缓冲区写出来，这样可以灵活地控制数据的传输。此外，由于缓冲区对数据进行了封装，在数据传输过程中可以进行加解密、压缩等操作，提高了数据的安全性和可靠性。

下面这个基于Java NIO的样例：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NioClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
  SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
  socketChannel.connect(new InetSocketAddress("example.com", 80));

  String message = "Hello, server!";
  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
  buffer.put(message.getBytes());
  buffer.flip();

  while (buffer.hasRemaining()) {
      socketChannel.write(buffer);
  }

  buffer.clear();
  int bytesRead = socketChannel.read(buffer);

  while (bytesRead != -1) {
      buffer.flip();
      while (buffer.hasRemaining()) {
          System.out.print((char) buffer.get());
      }
      buffer.clear();
      bytesRead = socketChannel.read(buffer);
  }
  socketChannel.close();
}
}
这个样例演示了如何使用NIO的SocketChannel来连接到一个远程服务器，并向其发送一条消息。首先，我们创建了一个SocketChannel对象，并使用它的connect()方法来连接到指定的服务器地址和端口。接着，我们将要发送的消息转换成ByteBuffer，并使用SocketChannel的write()方法将其发送给服务器。然后，我们使用同样的SocketChannel对象读取服务器响应，将其读入ByteBuffer中，并将其打印到控制台上。

这个样例还演示了如何在NIO中使用ByteBuffer对象来处理输入输出数据。当我们需要读取数据时，我们首先调用flip()方法来准备缓冲区进行读操作。然后，我们可以通过调用get()方法逐个读取数据，并对其进行相应的处理。最后，我们使用clear()方法来清空缓冲区，以便可以再次使用它来读写数据。

AIO

AIO (Asynchronous I/O)是Java I/O模型的另一种改进版异步型IO。主要用于处理网络通信和文件I/O操作，在这个模型中，I/O操作不再由程序自己完成，而是由操作系统完成。当一个I/O操作完成后，操作系统会通知应用程序，以便应用程序可以执行下一步操作。相比于NIO，AIO可以处理更多的连接，并且具有更好的可伸缩性。但是，AIO使用起来更复杂，对于一些简单的应用程序可能过于复杂。

在AIO模型中，当一个I/O操作完成后，会通过回调函数的方式来通知应用程序，而不需要等待I/O操作的结果返回。这样可以避免线程的阻塞，提高了系统的并发性能。

NIO是半同步半异步的I/O模型，而AIO则是纯异步的I/O模型。在NIO中，读写操作仍然会阻塞线程，只有就绪事件才是异步处理的；而在AIO中，读写操作不会阻塞线程，通过回调函数的方式来实现异步处理。