[NIO] IO与NIO

Posted 2022-12-07 一杯糖不加咖啡

文章目录

• 一、基础概念
• • 1、阻塞与非阻塞
  • 2、同步与异步
  • 3、传统BIO模型
  • 4、伪异步IO模型
  • 5、NIO模型
  • 6、Buffer的分配：
• 二、NIO优点

一、基础概念

1、阻塞与非阻塞

阻塞与非阻塞是描述进程在访问某个资源时，数据是否准备就绪的的一种处理方式。当数据没有准备就绪时：

阻塞：线程持续等待资源中数据准备完成，直到返回响应结果。
非阻塞：线程直接返回结果，不会持续等待资源准备数据结束后才响应结果。

2、同步与异步

同步与异步是指访问数据的机制，同步一般指主动请求并等待IO操作完成的方式。
异步则指主动请求数据后便可以继续处理其它任务，随后等待IO操作完毕的通知。
老王烧开水：
1、普通水壶煮水，站在旁边，主动的看水开了没有？同步的阻塞
2、普通水壶煮水，去干点别的事，每过一段时间去看看水开了没有，水没开就走人。 同步非阻塞
3、响水壶煮水，站在旁边，不会每过一段时间主动看水开了没有。如果水开了，水壶自动通知他。 异步阻塞
4、响水壶煮水，去干点别的事，如果水开了，水壶自动通知他。异步非阻塞

3、传统BIO模型

传统BIO是一种同步的阻塞IO，IO在进行读写时，该线程将被阻塞，线程无法进行其它操作。
IO流在读取时，会阻塞。直到发生以下情况：1、有数据可以读取。2、数据读取完成。3、发生异常

4、伪异步IO模型

以传统BIO模型为基础，通过线程池的方式维护所有的IO线程，实现相对高效的线程开销及管理。

5、NIO模型

NIO（JDK1.4）模型是一种同步非阻塞IO，主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector（多路复用器）。
传统IO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(多路复用器)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道。
NIO和传统IO（一下简称IO）之间第一个最大的区别是IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。
IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

解释NIO三大核心部分：

1. Channel(通道)
   传统IO操作对read()或write()方法的调用，可能会因为没有数据可读/可写而阻塞，直到有数据响应。也就是说读写数据的IO调用，可能会无限期的阻塞等待，效率依赖网络传输的速度。最重要的是在调用一个方法前，无法知道是否会被阻塞。
   NIO的Channel抽象了一个重要特征就是可以通过配置它的阻塞行为，来实现非阻塞式的通道。
   Channel是一个双向通道，与传统IO操作只允许单向的读写不同的是，NIO的Channel允许在一个通道上进行读和写的操作。
   FileChannel:文件
   SocketChannel:
   ServerSocketChannel:
   DatagramChannel: UDP
2. Buffer(缓冲区)
   Bufer顾名思义，它是一个缓冲区，实际上是一个容器，一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读写的数据都必须经过Buffer。
   
   Buffer缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该模块内存。为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三个属性：capacity、position和limit。
   position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式，capacity的含义总是一样的。见下图：
   
   capacity、position和limit
   capacity：作为一个内存块，Buffer有固定的大小值，也叫作“capacity”，只能往其中写入capacity个byte、long、char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清楚数据）才能继续写数据。
   position：当你写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。出事的position值为0，当写入一个字节数据到Buffer中后，position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity-1。当读取数据时，也是从某个特定位置读，讲Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0。当从Buffer的position处读取一个字节数据后，position向前移动到下一个可读的位置。
   limit：在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。 写模式下，limit等于Buffer的capacity。当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据。因此，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值。换句话说，你能读到之前写入的所有数据（limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position）
3. Selector(多路复用器)
   Selector与Channel是相互配合使用的，将Channel注册在Selector上之后，才可以正确的使用Selector，但此时Channel必须为非阻塞模式。Selector可以监听Channel的四种状态（Connect、Accept、Read、Write），当监听到某一Channel的某个状态时，才允许对Channel进行相应的操作。
   Connect：某一个客户端连接成功后
   Accept：准备好进行连接
   Read:可读
   Write:可写

6、Buffer的分配：

对Buffer对象的操作必须首先进行分配，Buffer提供一个allocate(int capacity)方法分配一个指定字节大小的对象。

• 向Buffer中写数据：写数据到Buffer中有两种方式：

1. 从channel写到Buffer

   int bytes = channel.read(buf); //将channel中的数据读取到buf中
   

2. 通过Buffer的put()方法写到Buffer

   buf.put(byte); //将数据通过put()方法写入到buf中
   

   flip()方法：将Buffer从写模式切换到读模式，调用flip()方法会将position设置为0，并将limit设置为之前的position的值。

• 从Buffer中读数据：从Buffer中读数据有两种方式：

1. 从Buffer读取数据到Channel

   int bytes = channel.write(buf); //将buf中的数据读取到channel中
   

2. 通过Buffer的get()方法读取数据

   byte bt = buf.get(); //从buf中读取一个byte
   

   rewind()方法：Buffer.rewind()方法将position设置为0，使得可以重读Buffer中的所有数据，limit保持不变。
   clear()与compact()方法：一旦读完Buffer中的数据，需要让Buffer准备好再次被写入，可以通过clear()或compact()方法完成。如果调用的是clear()方法，position将被设置为0，limit设置为capacity的值。但是Buffer并未被清空，只是通过这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer中写入多少数据。如果Buffer中还有一些未读的数据，调用clear()方法将被"遗忘 "。compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处，然后将position设置到最后一个未读元素的后面，limit属性依然设置为capacity。可以使得Buffer中的未读数据还可以在后续中被使用。
   mark()与reset()方法：通过调用Buffer.mark()方法可以标记一个特定的position，之后可以通过调用Buffer.reset()恢复到这个position上。

二、NIO优点

1. 通过Channel注册到Selector上的状态来实现一种客户端与服务端的通信。
2. Channel中数据的读取是通过Buffer , 一种非阻塞的读取方式。
3. Selector 多路复用器 单线程模型， 线程的资源开销相对比较小。