Java IO & NIO & NIO2

拼搏现实的明天。 2022-05-30 11:53 214阅读 0赞

### 概览 ###

IO是Java中的最重要的一个部分. 其中, java.io是所有编程者都应该掌握的IO方式. 在Java 1.4中, NIO被引入, 它引进了一种新的相对于流模型的新的IO模型, 以为非阻塞IO提供支持. 在Java 7中, NIO2又在NIO的基础上, 引入了对异步IO的支持. 在这篇文章我, 我将对这几种IO方式进行一个比较系统的说明及总结, 同时, 分析每一种IO模型的适用范围.

### 流IO ###

流IO是一种最为简洁的IO方式, 几乎所有的编程语言在其标准库中都提供了对流IO的支持, 比如C的FILE, C++的iostream. 同样, 在Java中, 流IO是最为基础也是最为广泛使用的IO方式, 一般来说, 大家对这种方式都比较熟悉了, 总的来说, Java提供Byte输入流/Byte输出流/Char输入流/Char输出流, 同时, 又提供了一系列的Decorator类来在基础流的功能之上, 添加新的功能, 如Buffering.

用下面的四张图可以很好地概括整个流IO的相关类.

输入流  
![这里写图片描述][70]  
输出流  
![这里写图片描述][70 1]  
字符输入流  
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字符输出流  
![这里写图片描述][70 3]

### NIO ###

一般来说, 流IO表现得很好, 对于大部分的IO场景, 它都能适应. 但是, 由于它的阻塞性, 每一个流的读写都需要占用一个线程. 这意味着, 流IO的可伸缩性很差. 因此, 引入非阻塞IO就再正常不过了. 实际上, NIO就是IO Multiplexing在Java中的实现. IO Multiplexing在系统级语言如C/C++中应用了很长时间. 使用IO Multiplexing, IO的伸缩性大大提高, 使用单个线程, 就可以处理大量的IO对象.

在介绍NIO的非阻塞IO之前, 先大致了解一下NIO提供的IO模型. NIO的概念概念有三个, Buffers/Channels/Selectors. 其中, Channels是输入/输出的管道, 所有的读写操作都需要通过它来完成. Channel读写的粒度是Block, 而不是像流IO一样, 提供一个字节流或者字符流的抽象. 这个Block的抽象即Buffer. 所有的读操作会由Channel将数据读入Buffer, 然后用户来处理Buffer, 所有的写操作需要先将数据填到Buffer中, 再由Channel来消费Buffer中的数据. NIO的第三个核心概念是Selector, 它是一个事件监控器, 我们将它注册我们所感兴趣的IO事件, 并且对其进行Polling, 来确定事件是否发生, 发生则做相应的IO操作. 其中, Selector所监控的对象是Channel, 我们在Selector上声明我们关心哪一个Channel的什么事件, Selector会监控这些Channels, 并在事件发生时通知我们.

现在, 考虑三个问题:

**为什么要引入Channel, 直接扩展已有的Stream类不行吗?**: 流的抽象已经很完备了, 添加更多的特性与概念只会将流的概念进一步复杂化, API更加难以使用, 这是一种很不好的API设计方式. 因此, NIO引入了一套新的抽象. Do one thing, and do it well.

**为什么引入Buffer? 直接用byte数组可以吗?**: 实际上肯定是可以的, 但Buffer类提供了更加方便的操作. 同时, Buffer提供了很多性能上的优化.

**为什么引入Buffer? 直接读写byte不行吗?**: 如果直接操作byte, 性能会很低, 实际上还是需要buffering来提供性能, 与其加一层buffering抽象, 不如直接给用户提供Buffer. 最重要的是, 基于Buffer的IO操作, 某些情况下可以直接映射成系统调用, 性能极高!

NIO支持阻塞与非阻塞两种模式. 阻塞模式下, 实际上与流IO差不多, 非阻塞模式下, Channels与Selector配合, 才是它最大的威力所在.

我们可以大体将Channel分成两类, 一种是支持SelectableChannel(除了FileChannel以外都是, 一般是网络相关的操作.), 另一种与non-SelectableChannel(即FileChannel). 前者可以与Selector一起使用, 提供强伸缩性的IO.

### IO VS NIO ###

考虑IO与NIO的区别. 除了在概念模型的差别, IO与NIO在性能上也会有很大差异. 我们从三个方面来考虑性能问题:

可伸缩性: 流IO的在IO对象数较少及大规模IO的情况下, 表现得很好, 但是当需要处理成百上千的IO对象时, 它的性能会Drop得很快. 相反, NIO在非阻塞模式下(阻塞模式下应该与流IO具有相同的特点, 这是阻塞IO的共性), 即使用Selector, 它可以处理大量的非活跃连接, 是实现C10K的关键技术.

GC: 许多号称高性能的服务器实现, 都以Zero Allocation作为一个重要的功能点. 理想情况上, 如果没有GC的开销, 服务器可以将所有时间花在有效地工作上, 并且保持一个可靠的延迟. 然后GC是不可避免的, Zero Allocation也只能是尽力而为. 而相比较而言, NIO只需要申请一个Buffer, 可以反复使用, 而字符流在这方便表现的就比较差了, 如readLne()这类接口, 需要分配大量临时的String对象.

API抽象层次: 相对而言, 基于Buffer的NIO抽象层次比流IO在低一些. 特别的, 系统调用级别的IO, 都是基于Buffer的. 当使用DirectBuffer时, 某些平台下, OS可以直接将数据复杂到DirectBuffer中, 避免了流IO中, OS将数据复制到OS Buffer后, 又需要向JVM Heap复制地过程. Zero Copy与Zero Allocation都是高性能服务器的重点技术. 特别的, 在使用Channel时, 需要使用DirectBuffer, 因为Channel内部使用的是DirectBuffer. 如果使用HeapBuffer, 则读写时, Channel会申请一个临时的DirectBuffer, 造成性能开销.

### Memory Mapping ###

前面提到, FileChannel不支持非阻塞模式. 那么, 它是不是用处不大呢? 毕竟, NIO与IO相比最大的优势是非阻塞.

NIO中, FileChannel都一些属于自己的特性. 即, Memory Mapping. Memory Mapping是一个比较觉见, 在此不加多说. 无论是在顺序读写, 还是随机读写中, Memory Mapping都能够提供不弱于BufferedInputStream或者RandomAccessFile的性能.

特别强调的是, Memory Mapping可以Map的容量仅与虚拟内存大小有关, 与物理内存大小及JVM堆大小都没有关系. 因此, 在64位平台下, Memory Mapping可以工作得非常好.

### ANIO2 ###

聊过非阻塞IO后, 再来看看异步IO. IO方面的概念很多, 阻塞性与异步性是其关键概念. 简单而言, 凡是需要由应用程序将数据读写到应用程序内存中的IO, 都是同步IO, 比如上面的流IO与NIO. 相对的, 凡是由OS来完成读写的, 就是异步IO. 这个说法有些迷惑. 举例而言, 在NIO中, 当应用程序检测到某个Channel有可读数据时, 必须显示发起一个read请求. 而在异步IO中, 应用程序仅仅需要告诉OS, 我需要什么数据, 并提供给OS一个Buffer和一个回调. OS会自己检测Channel的可读性, 但其发起其可读, 会自动将数据复制到Buffer中, 并通知应用程序任务完成. 异步IO的典型实现是NodeJS及Boost.ASIO. 显然, 由于将任务进一步下发到了OS, 应用程序的可伸缩性及性能会大大增强. 并且, 比起非阻塞的NIO, 异步IO编程更加容易一些, 性能也基本上总是优于它的.

NIO2最大的改进是引入了四个异步Channel, 用于支持异步读写. 同时, 它还增加了对文件系统和文件属性的支持, 提供了WatchService/FileVisitor这些高级功能.

原文地址：[https://www.jianshu.com/p/07d3d421a877][https_www.jianshu.com_p_07d3d421a877]

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