Android-从Basic IO到NIO内核机制（原理篇）

Posted 2022-11-22 天津 唐秙

文章目录

• 从Basic IO到NIO内核机制
• • 1. IO
  • 2. NIO

从Basic IO到NIO内核机制

1. IO

1.性能层面基础的单位影响

• 使用率：是指磁盘处理IO的时间百分比，过高的使用率（比如超过80%），通常意味着磁盘IO存在性能瓶颈
• 饱和度：是指磁盘处理IO的繁忙程度，过高的饱和度，意味着磁盘存在着严重的性能瓶颈，当饱和度为100%时，磁盘无法接受新的
• IOPS：是指每秒的IO请求大小，适用于大文件的情景
• 吞吐量：是指每秒的IO请求大小，适用于大文件的情景
• 响应时间：是指IO请求从发出到收到响应的时间间隔

2.android对于IO需要注意的场景

• 设备（手机）作为S端
• IO复用可能导致的空指针
• 设备数据的传递
• dex加壳和脱壳
• NET IO
• BASIC IO

3.IO的优化是在解决CPU的瓶颈问题，但是通常在C端很少会出现，所以在学习IO的角度上来说，我们不会把重点放在CPU瓶颈的解决，而是会探寻IO本质原理及序列化的应用与Dex文件的加壳脱壳

4.内核空间

5.内核（Linux）的IO栈
  我们可以把Linux存储系统的IO栈，由上到下分为三个层次，，分别是文件系统层，通用块层和设备层
  文件系统层，包括了虚拟文件系统和其他各种文件系统的具体实现，它为上层的应用程序提供标准的文件访问接口，对下会通过块层，来存储和管理磁盘数据
  通用块层，包括块设备io队列和io调度器，它会对文件系统的io请求进行排队，再通过重新排序和请求合并，然后才发送给下一级的设备层。
  设备层，包括存储设备和相应的驱动程序，负责最终物理设备的io操作
  存储系统的io，通常是整个系统中最慢的一环，所以，Linux通过多种缓存机制来优化io效率
  为了优化存储系统访问文件的性能，会使用页缓存，索引节点缓存，目录项缓存等多种缓存机制，以及减少对下层块设备的直接调用
  为了优化块设备的访问效率，会使用缓冲区，来缓存块设备的数据

6.页
  4k数据为一页，一页数据是IO操作的基本单位

7.空间局部性原理
  在常规操作下，如果数据量较大的情况下可能会出现预占位4-16k的情况

8.系统在进行IO操作的时候，会有一组优化方案存在，在每次操作的数据为4k1页，但是为了优化可能扩展到8k，在分配到具体物理内存的时候，我给你8k数据，就占用8k数据，但是我看着你还不断的写，我提前先给你8k或者16k，下次，看你空间够用了，不分配，接着用，不够了再分配

9.刚才验证了缓冲区，java的缓冲方案是自己缓冲区搞8k大小，每次数据到达8k进行一次同步调用，一次性4k是内核的操作方案，是操作系统的操作方案，底层是以1页去操作的，用buffer.flush()可以手动调用一次同步，memIO（）这个函数模拟IO操作，在栈中自己创建了一个数组在玩，实际上根本没有触发IO操作

10.基础流意味着复制调用频繁

11.断点续传，断点下载，做数据分析，大数据里面应用，也可以做并行计算

12.IO的底层原理
  实际上是调用内核的函数库，进行数据同步之后，然后由内核将数据写入到磁盘

13.缓存区概念
  因为基础IO的相关处理方案，每一次写入都会直接调用复制，在当前自己程序，将数据缓存起来，然后达到8k一次性写出

14.java对于IO提供了N种方案的支撑
  RandomAccessFile()功能上讲提供定位处理
  缓冲区上讲，提供了MapperByteBuffer，这个是内核与APP缓冲共享
  MapperByteBuffer是NIO提供的

2. NIO

  非阻塞IO，应用层面上来讲，JDK提供了一套非阻塞实现方案所推出的相关API，对于调用（IO相关函数）的实现是JAVA做的
  basicIO基于阻塞模型去做
  IO模型概念：实现IO的具体方案，Java这边的调用过程
IO分两个阶段去做：
  1.数据准备阶段
  2.内核空间复制回用户进程缓冲区阶段（调用内核函数，完成相关复制）
  具体的IO实际操作是由内核完成的，我们是提供数据的人
内核那边提供的那几个函数，由下面这种搞法：
  阻塞IO：我们这边数据没准备好，那么内核那边阻塞住等待数据过来，过来之后继续执行下面的操作

  缺点：如果在高强度并发的情况下，很容易将CPU拉满，内存处理需要有线程，实际上就是和内核建立联系，CPU的损耗会比较大，10000QBS（一秒10000次连接）进来后CPU扛不住
缺页，中断

传统的阻塞IO

非阻塞IO

  轮询的时候，其他业务正常跑，不会卡住
  非阻塞IO对于阻塞IO的提升：可以接受更多的任务，任务量可以增多

IO的复用模型

五个IO模型的对比

  1.内核系统提供了N多个函数
  2.recv/fsync/sync/poll/select
  3.这些函数有相关功能，java通过这些函数不同的功能，组合开发了五套IO的具体实现方案
  4.recvform

OKIO
okhttp
  okhttp团队自己对于IO这一块写了一套，底层还是java的basic实现，但是基于网络这一块的频繁IO访问，他认为当前的IO性能上有瓶颈，这个瓶颈出现在网络通信调用一般是双向的，涉及到一次InputStream和一次OutputStream，就会涉及到一次读的IO复制和一次写的IO复制，如果做缓存的话，就会搞出两个byte去支撑
  **优化：**做一个

Segment数组双向链表
ok里面source是读，sink代表是写

OKIO采取的方案
  OKIO核心竞争力为，增强了流与流之间的互动，使得当数据从一个缓冲区移动到另一个缓冲区时，可以不经过copy能到达：
  1.以Segment作为存储结构，真实数据以类型为byte[]的成员变量data存在，并用其它变量标记数据状态，在需要时，如果可以，移动Segment引用，而非copy data数据
  2.Segment在Segment线程池中以单链表存在以便复用，在buffer中以双向链表存在存储数据，head指向头部，是最老的数据。
  3.Segment能通过slipt（）进行分割，可实现数据共享，能通过compact（）进行合并，由buffer来进行数据调度，基本遵守“大块数据移动引用，小块数据进行copy”的思想
  4.source对应输入流，sink对应输出流
  5.TimeOut以达到在期望时间内完成IO操作的目的，同步超过在每次IO操作中检查消耗，一部超时开启另一个线程间隔时间检查耗时。
  6.OK核心是解决双流操作问题

总结：
  IO原理，本质基于内核提供的函数，功能由内核完成，java所提供的IO是依托于内核函数的一个实现（注磁盘和网卡也是IO设备）