Java IO编程全解——Java的I/O演进之路

Posted 2020-10-10 Joanna.Yan

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　　JDK1.4之前的早期版本，Java对I/O的支持并不完善，开发人员在开发高性能I/O程序的时候，会面临一些巨大的挑战和困难，主要问题如下：

• 没有数据缓冲区，I/O性能存在问题；
• 没有C或者C++中的Channel概念，只有输入和输出流；
• 同步阻塞式I/O通信（BIO），通常会导致通信线程被长时间阻塞；
• 支持的字符集有限，硬件可移植性不好。

　　在Java支持异步I/O之前的很长一段时间里，高性能服务端开发领域一直被C++和C长期占据，Java的同步阻塞I/O被大家所诟病。

 

　　在JDK1.4推出Java NIO之前，基于Java的所有Socket通信都采用了同步阻塞模式（BIO），这种一请求一应答的通信模型简化了上层的应用开发，但是在性能和可靠性方面却存在着巨大的瓶颈。因此，在很长一段时间里，大型的应用服务器都采用C或者C++语言开发，因为它们可以直接使用操作系统提供的异步I/O或者AIO能力。当并发访问量增大、响应时间延迟增大之后，采用Java BIO开发的服务端软件只有通过硬件的不断扩容来满足高并发和延时，极大地增加了企业的成本，并且随着集群规模的不断膨胀，系统的可维护性也面临巨大的挑战，只能通过采购性能更高的硬件服务器来解决问题，这会导致恶性循环。

　　正是由于Java传统BIO的拙劣表现，才使得Java支持非阻塞I/O的呼声日渐高涨，最终，JDK1.4版本提供了新的NIO类库，Java终于也可以支持非阻塞I/O了。

 

　　JDK1.4推出 NIO 1.0 。新增java.nio包，提供了很多进行异步I/O开发的API和类库，主要的类和接口如下。

• 进行异步I/O操作的缓冲区ByteBuffer等；
• 进行异步I/O操作的管道Pipe；
• 进行各种I/O操作（异步或者同步）的Channel，包括ServerSocketChannel和SocketChannel;
• 多种字符集的编码能力和解码能力；
• 实现非阻塞I/O操作的多路复用器selector;
• 基于流行的Perl实现的正则表达式类库；
• 文件通道FileChannel。

　　新的NIO类库的提供，极大地促进了基于Java的异步非阻塞编程的发展和应用，但是，它依然有不完善的地方，特别是对文件系统的处理能力仍显不足，主要问题如下。

• 没有统一的文件属性（例如读写权限）；
• API能力比较弱，例如目录的级联创建和递归遍历，往往需要自己实现；
• 底层存储系统的一些高级API无法使用；
• 所有的文件操作都是同步阻塞调用，不支持异步文件读写操作。

　　JDK1.7推出 NIO 2.0。主要提供了如下三个方面的改进。

• 提供能够批量获取文件属性的API，这些API具有平台无关性，不与特性的文件系统相耦合，另外它还提供了标准文件系统的SPI，供各个服务商扩展实现；
• 提供AIO功能，支持基于文件的异步I/O操作和针对网络套接字的异步操作；
• 完成JSR定义的通道功能，包括对配置和多播数据报的支持等。

 　　到目前为止大家对Java的I/O演进有了一个更加直观的认识。后面将会对阻塞I/O和非阻塞I/O进行详细讲解，同时给出代码示例。大家就能够对传统的阻塞I/O的弊端和非阻塞I/O的优点有更加深刻的体会。

Java IO编程全解（二）——传统的BIO编程

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