吃透Netty一：普通IO

Posted 2022-01-28 吃透Java

这里以文件输入输出流：FileInputStream、FileOutputStream来进行解释。由继承关系得知，这两个输入输出类继承自InputStream和OutputStream这两个基础的输入、输出的抽象类，这时我们可以看到当我们需要读写文件的时候，就需要创建两个流对象。原理图如下：

由图中可以知道，OS提供了API的接口给用户程序调用，这时我们可以将API接口和OS，比喻成C/S，也即应用程序就是浏览器端或者桌面端程序，OS和API等价于服务器，也即Controller接口。

public class FileInputStream extends InputStream
public class FileOutputStream extends OutputStream

1、输入流源码：

// 只以文件流为例
public abstract class InputStream implements Closeable 
    public int read(byte b[]) throws IOException 
        return read(b, 0, b.length); // 直接调用read(byte b[], int off, int len)函数
    
    
    public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException 
        if (b == null)  // 校验byte数组是否为空
            throw new NullPointerException();
         else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off)  // 校验读取范围是否正确
            throw new IndexOutOfBoundsException();
         else if (len == 0)  // 校验读取长度
            return 0;
        
        // 调用read()函数读入一个字节
        int c = read(); 
        if (c == -1)  // 验证字节是否到达了文件的末尾
            return -1;
        
        b[off] = (byte)c; // 将该字节数据保存到b数组中
        int i = 1;
        try 
            // 将文件的数据，逐字节的从磁盘中读入放入b字节数组中
            for (; i < len ; i++) 
                c = read();
                if (c == -1) 
                    break;
                
                b[off + i] = (byte)c;
            
         catch (IOException ee) 
        
        return i;
    

流程如下：

1. read(byte b[]) 直接调用read(byte b[], int off, int len)函数
2. 校验byte数组是否为空
3. 校验读取范围是否正确
4. 校验读取长度
5. 调用read()函数读入一个字节
6. 验证字节是否到达了文件的末尾
7. 将该字节数据保存到b数组中
8. 循环将文件的数据，逐字节的从磁盘中读入放入b字节数组中

2、输出流源码

public abstract class OutputStream implements Closeable, Flushable 
    public void write(byte b[]) throws IOException 
        write(b, 0, b.length); // 直接调用write(byte b[], int off, int len)函数 
    
    
    public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException 
        if (b == null)  // 校验数组不能为空
            throw new NullPointerException();
         else if ((off < 0) || (off > b.length) || (len < 0) ||
                   ((off + len) > b.length) || ((off + len) < 0))  // 校验写入范围是否合理
            throw new IndexOutOfBoundsException();
         else if (len == 0)  // 校验写入长度是否为0
            return;
        
        // 循环将b数组中的数据，逐个字节写入文件
        for (int i = 0 ; i < len ; i++) 
            write(b[off + i]);
        
    

流程如下：

1. write(byte b[])直接调用write(byte b[], int off, int len)函数
2. 校验数组不能为空
3. 校验写入范围是否合理
4. 校验写入长度是否为0
5. 循环将b数组中的数据，逐个字节写入文件

3，FileInputStream和FileOutputStream复写抽象类方法原理

public class FileInputStream extends InputStream
    public int read(byte b[]) throws IOException 
        return readBytes(b, 0, b.length); // 直接调用read(byte b[], int off, int len)方法
    
    
    public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException 
        return readBytes(b, off, len); // 直接调用readBytes(byte b[], int off, int len)方法
    
    
    // 可以看到该方法为native，称之为JNI（Java Native Interface）方法
    private native int readBytes(byte b[], int off, int len) throws IOException;

FileInputStream流程如下：

1. read(byte b[]) 方法直接调用read(byte b[], int off, int len)方法
2. read(byte b[], int off, int len)方法直接调用readBytes(byte b[], int off, int len)方法
3. 可以看到readBytes方法为native，称之为JNI（Java Native Interface）方法

public class FileOutputStream extends OutputStream
    public void write(byte b[]) throws IOException 
        writeBytes(b, 0, b.length, append); //  直接调用write(byte b[], int off, int len)方法
    
    
    public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException 
        writeBytes(b, off, len, append); //  直接调用writeBytes(byte b[], int off, int len, boolean append)方法
    
    
    // 可以看到该方法为native，称之为JNI（Java Native Interface）方法
    private native void writeBytes(byte b[], int off, int len, boolean append)
        throws IOException;

FileOutputStream流程如下：

1. write(byte b[])方法直接调用write(byte b[], int off, int len)方法
2. write(byte b[], int off, int len)方法直接调用writeBytes(byte b[], int off, int len, boolean append)方法
3. 可以看到writeBytes(byte b[], int off, int len, boolean append)方法为native，称之为JNI（Java Native Interface）方法

4，readBytes方法与writeBytes底层实现原理

readBytes方法

jint readBytes(JNIEnv *env, jobject this, jbyteArray bytes,
              jint off, jint len, jfieldID fid)
    ...
    if (len == 0) 
        return 0;
     else if (len > BUF_SIZE) 
        buf = malloc(len); // 分配一片空间
    
    ...
    if (fd == -1) 
       ...
     else 
        nread = IO_Read(fd, buf, len); // 调用read函数读取数据
        if (nread > 0) 
            // 将数据保存放入堆内存的bytes数组中
            (*env)->SetByteArrayRegion(env, bytes, off, nread, (jbyte *)buf);
        
        ...
    
    ...

关键流程如下：

1. malloc分配一片空间
2. 调用read函数读取数据
3. 将数据保存放入堆内存的bytes数组中

原理图如下所示：

writeBytes方法

void writeBytes(JNIEnv *env, jobject this, jbyteArray bytes,
                jint off, jint len, jboolean append, jfieldID fid)
    ...
    if (len == 0) 
        return;
     else if (len > BUF_SIZE) 
        buf = malloc(len); // 分配一片空间
        ...
    
    ...
    // 将java堆内存空间中的bytes数组中的内容复制到buf中
    (*env)->GetByteArrayRegion(env, bytes, off, len, (jbyte *)buf);

    if (!(*env)->ExceptionOccurred(env)) 
        off = 0;
        while (len > 0) 
            ...
            if (append == JNI_TRUE) 
                ...
             else 
                n = IO_Write(fd, buf+off, len); // 将buf中的数据写入到OS中
            
            ...
        
    
    ...

关键流程如下：

1. 分配一片空间
2. 将java堆内存空间中的bytes数组中的内容复制到buf中
3. 将buf中的数据写入到OS中

原理图如下所示：