JavaIO流及NIO如何实现多路复用
初学Java的时候大家都会接触到各种各样的IO流，IO流的扩展方式是多种多样的，并且流的相关知识也是非常重要的，在面试和实际开发时候用的也是很多的，现在主要来介绍一下IO流。
简介
Java IO流方式多种多样，可以从IO抽象模型和交互方式，进行简单的划分。
第一，传统的java.io包，完全基于流模型实现，提供了一些我们熟知的IO功能，比如File抽象、输入输出流等等。交互方式是同步、阻塞的方式，也就是说，在读取输入流或者写入输出流的时候，在这两个操作结束之前线程呈阻塞状态，但是呈线性所以有一定规律。
java.io包的特点是，代码简单，原理移动，可扩展性低，性能差。
第二，为了在保证原本功能的情况下提升性能，所以java1.4引入了NIO框架，提供了Channel，Selector，Buffer等新的抽象类，构建多路复用，同步且非阻塞IO程序，且提高了性能。
第三，在java 7中，NIO又进行了更新，也就是NIO2，引入了异步非阻塞IO，也就是我们听过的AIO(Asynchronous IO) 。异步IO操作基于事件和回调，可以简单的理解为，应用操作直接返回，而不会阻塞在那里，当后台处理完成之后，操作系统会通知相应的线程进行后续工作。
面试中的方向通常是这样的：
- java.io的基础包用法，像Input/OutStream,Reader/Writer
- NIO和NIO2的基本组成
- 给定场景，用不同模型实现，分析BIO和NIO等模式的设计和实现原理
- NIO自身的问题，如何改进
- NIO提供的高性能数据操作方式是基于什么原理，如何使用
知识扩展
同步和异步的区别
同步：有序运行，后续任务等待当前调用返回，才会执行下一步
异步：不需要等待当前调用返回，通常依赖事件、回调等机制实现任务间次序关系
阻塞与非阻塞的区别
阻塞：当阻塞的时候，当前线程会处于阻塞状态，无法从事其他任务，只有当任务就绪才能继续，比如ServerSocket新连接建立完毕，或者数据读取，写入操作完成
非阻塞：不管IO是否结束，直接返回，操作在后台自己处理。
不能仅凭字面理解，阻塞和同步就是低效，具体情况要看实际应用场景。
对于 java.io，大家都非常熟悉，但是还有很多底层和细节方面的问题需要仔细探究，以下是必须要了解到的知识点：
- [1] IO不仅仅是对文件的操作，更包括了Socket。
- [2]输入输出流是用于读取或写入字节的，例如操作图片文件。
- [3]BufferedOutputStream这种带缓冲区的IO读写可以大大提升读写的效率，但是最后需要flush
- [4]Reader/Writer 主要用于操作字符，增加了字符编解码等功能，适用于类似从文件中读取或者写入文本信息。本质上计算机操作的都是字符，不管是网络通信还是文件读取，Reader/Writer相当于构建了应用逻辑与原始数据之间的桥梁。
- [5]很多IO工具类都实现了Closeable接口，因为要进行资源的释放。比如，打开FileInputStream，它就会获取相应的文件描述符(FileDescriptor)，需要利用try-with-resource、try-finally等机制保证FileInputStream被明确关闭，进而响应的文件描述符也会失效，否则资源将无法释放。
Java NIO概述
NIO主要组成部分
1、Buffer ：高效的数据容器，除了布尔类型，所有原始数据类型都有响应的Buffer来实现
2、Channel：批量操作IO的抽象
3、Charset：提供Unicode字符串定义
4、Selector：可以通过检测Channel的状态，达到单线程管理Channel
NIO应用场景
实现一个服务器应用，只简单要求能够同时服务多个客户端请求即可。
import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.InetAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class NIO extends Thread{
private ServerSocket serverSocket;
public int getPort() {
return serverSocket.getLocalPort();
}
public void run() {
try {
serverSocket = new ServerSocket(0);
while (true) {
Socket socket = serverSocket.accept();
RequestHandler requestHandler = new RequestHandler(socket);
requestHandler.start();
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}finally {
if (serverSocket != null) {
try {
serverSocket.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
NIO nIO = new NIO();
nIO.start();
try(Socket client = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), nIO.getPort())){
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println(s));
}
}
}
//简化实现
class RequestHandler extends Thread {
private Socket socket;
RequestHandler(Socket socket) {
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {
try (PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream())) {
out.print("Hello world");
out.flush();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
实现要点是：
服务器端启动ServerSocket，端口0表示总动绑定一个空闲端口
调用accept方法，阻塞等待客户端连接
利用Socket模拟了一个简单的客户端，只连接、读取、打印
当连接建立之后，启动一个单线程负责恢复客户端请求
存在的潜在问题：
java的线程是比较重量级的，所以启动、关闭、销毁一个进程是有一定开销的，每个线程都有单独的线程栈，需要很明显的内存支持，因此可以引入线程池。
serverSocket = new ServerSocket(0);
executor = Executors.newFixedThreadPool(8);
while (true) {
Socket socket = serverSocket.accept();
RequesHandler requesHandler = new RequesHandler(socket);
executor.execute(requesHandler);
}
当我们用普通IO进行这种低并发的时候，效果还是可以的，但是当连接数量急剧上升的时候，就会出现同步阻塞的低扩展劣势，而NIO解决了这样的问题。
1、首先，通过Selector.open()创建一个Selector，作为类似调度员的角色。
2、然后创建一个ServerSocketChannel，并且向Selector注册，通过指定SeletionKey.OP_ACCEPT，告诉调度员，它关注的是新的连接请求。
注意，为什么我们要明确配置非阻塞模式呢？这是因为阻塞模式下，注册操作是不允许的，会抛出异常
3、Selector阻塞在select操作，当有Channel发生接入请求，就会被唤醒。
4、在数据的方法中，通过SocketChannel和Buffer进行数据操作，在本例中是发送了一串String。
最终得出结论
IO都是同步阻塞，所以需要多线程，NIO则是单线程轮询，提高应用的扩展能力。
