JAVA-NIO学习之缓冲区初步了解

前言

今天先了解下关于缓冲区的概念相关，对于之后buffer相关方面深层了解会有用处。

简介

1. 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
2. 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制。
3. 提高CPU和I/O设备之间的并行性。

缓冲区设置

• 硬缓冲：在设备中设置缓冲区，由硬件实现
• 软缓冲：在内存中开辟一个空间，用作缓冲区

缓冲区管理

• 单缓冲
• 双缓冲
• 循环缓冲
• 缓冲池

在谈论这四种缓冲区管理方式之前，首先介绍下操作系统中设备传输逻辑单元分为块设备和字符设备。

• 块设备：使用固定大小字节进行传输，而且大致是可以随机存取(Random Access)资料的设备，如硬碟机或光碟机。
• 字符设备：以不定长度的字元传送资料 ，依循先後顺序存取资料的设备，如印表机 、终端机等。

平常我们使用键盘输入就是典型的字符设备，而硬盘是块设备，之所以这样，因为键盘输入必须是按顺序进行输入，而硬盘需要随机选取存储区的信息，这也是两者最本质的区别

单缓冲

块设备过程

• 用户发出I/O请求
• OS在主存中分配一缓冲区
• 从磁盘把一块数据输入到缓冲区的时间为T
• OS将该缓冲区中的数据传送到用户区的时间为M
• CPU对这一块数据处理的时间为C，T和C是可以并行的

字符设备的工作过程

• 用户发出I/O请求
• OS在主存中分配一缓冲区用于暂存用户输入的一行数据
• 输入期间，用户进程被挂起以等待数据输入完毕

• 输出时，用户进程将一行数据输入到缓冲区后，继续执行处理，当户用已有第二行数据输出时，如果第一行数据尚未被提取完毕，则用户进程阻塞

  
  
  

  单缓冲示意图.jpg

双缓冲

块设备过程

• 输入时，将数据送入第一缓冲区，装满后便转向第二缓冲区。同时，从第一缓冲区中移出数据，并送入用户进程，接着由CPU对数据进行计算
• 双缓冲，系统处理一块数据的时间可以粗略地认为是Max(C，T)。
• 如果C
• 如果C>T，则可使CPU不必等待设备输入

字符设备的工作过程

• 若采用行输入方式，则采用双缓冲通常能消除用户的等待时间

• 即用户在输入完第一行之后，在CPU执行第一行中的命令时，用户可继续向第二缓冲区输入下一行数据

  
  
  

  双缓冲示意图.jpg

循环缓冲

组成

• 多个缓冲区
  • 每个缓冲区的大小相同
  • 作为输入的多缓冲区可分为三种类型：用于装输入数据的空缓冲区R
  • 已装满数据的缓冲区G
  • 计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
• 多个指针
  • 用于指示计算进程下一个可用缓冲区G的指针Nextg
  • 指示输入进程下次可用的空缓冲区R的指针Nexti
  • 以及用于指示计算进程正在使用的缓冲区C的指针Current；

缓冲池

三种类型的缓冲区

• 空(闲)缓冲区
• 装满输入数据的缓冲区
• 装满输出数据的缓冲区

为了管理上的方便，可将相同类型的缓冲区链成一个队列，于是可形成以下三个队列:

• 空缓冲队列emq。由空缓冲区所链成的队列。
• 输入队列inq。由装满输入数据的缓冲区所链成的队列。
• 输出队列outq。由装满输出数据的缓冲区所链成的队列。

具有四种工作缓冲区

• 用于收容（接收）输入数据的工作缓冲区
• 用于提取输入数据的工作缓冲区
• 用于收容（接收）输出数据的工作缓冲区
• 用于提取输出数据的工作缓冲区。

几种缓冲池操作方式

• 收容输出：当计算进程需要输出时，从空缓冲队列的队首取得一个空缓冲区，作为收容输出工作缓冲区。当其中装满输出数据后，将该缓冲区挂在末尾。
• 提取输出：由输出进程从输出队列的队首取得一装满输出数据的缓冲区，作为提取输出工作缓冲区。在数据提取完后，将该缓冲区挂在空缓冲队列末尾。
• 收容输入：在输入进程需要输入数据时，从空缓冲队列的队首摘下一空缓冲区，把它作为收容输入工作缓冲区。然后，把数据输入其中，装满后，将该缓冲区挂在输入队列上。
• 提取输入：当计算进程需要输入数据时，从输入队列的队首取得一个缓冲区，作为提取输入工作缓冲区，计算进程从中提取数据。计算进程用完该数据后，将该缓冲区挂到空缓冲队列上。

缓冲区的工作方式.jpg

缓冲释放与得到（Getbuf和Releasebuf）

GetBuf

• 当计算进程要使用缓冲区中的数据时，可调用Getbuf过程
• 将指针Nextg所指示的缓冲区提供给进程使用
• 把它改为现行工作缓冲区，并令Current指针指向该缓冲区的第一个单元，同时将Nextg移向下一个G缓冲区
• 每当输入进程要使用空缓冲区来装入数据时，也调用Getbuf过程，由该过程将指针Nexti所指示的缓冲区提供给输入进程使用，同时将Nexti指针移向下一个R缓冲区

ReleaseBuf

• 计算进程把C缓冲区中的数据提取完毕时，便调用Releasebuf过程，将缓冲区C释放
  把该缓冲区由当前(现行)工作缓冲区C改为空缓冲区R
• 当输入进程把缓冲区装满时，也调用Releasebuf过程，将该缓冲区释放，并改为G缓冲区。

好了，至此算是把一些基本的知识了解，现在接下来学习相关java nio的api使用技巧。
java nio之相关概述