Java并发编程学习-日记1、常见的IO模型、NIO、OIO

常见的IO模型：

1、同步阻塞IO（Blocking IO）: 在Java中，默认创建的socket都是阻塞。同步IO，是一种用户空间与内核空间的IO发起方式。同步IO是指用户空间的线程是主动发起IO请求的一方，内核空间是被动接受方。异步IO则反过来，是指系统内核是主动发起IO请求的一方，用户空间的线程是被动接受。

• 阻塞IO的特点及优缺点：

1. 阻塞IO的特点是：在内核进行IO执行的两个阶段，用户线程都被阻塞。
2. 阻塞IO的优点：应用的程序开发非常简单；在阻塞等待数据期间，用户线程挂起。在阻塞期间，用户线程基本不会占用CPU。
3. 阻塞IO的缺点：一般情况下，会为每个连接配备一个独立的线程；在高并发的应用场景下，需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存、线程切换开销会非常巨大。因此，基本上阻塞IO模型在高并发应用场景下是不可。

2、同步非阻塞IO（Non-blocking IO）: 非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK。使用非阻塞模式的IO读写，叫作同步非阻塞IO（None Blocking IO），简称为NIO，在NIO模型中，应用程序一旦开始IO系统调用，会出现以下两种情况：

（1）在内核缓冲区中没有数据的情况下，系统调用会立即返回，返回一个调用失败的信息。

（2）在内核缓冲区中有数据的情况下，是阻塞的，直到数据从内核缓冲复制到用户进程缓冲。复制完成后，系统调用返回成功，应用进程开始处理用户空间的缓存。

• 同步非阻塞IO的特点及优缺点：

1. 同步非阻塞IO的特点：应用程序的线程需要不断地进行IO系统调用，轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，就继续轮询，直到完成IO系统调用。
2. 同步非阻塞IO的优点：每次发起的IO系统调用，在内核等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会阻塞，实时性较好。
3. 同步非阻塞IO的缺点：不断地轮询内核，这将占用大量的CPU时间，效率低下。

3、IO多路复用（IO Multiplexing）:IO多路复用能够避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题。经典的Reactor反应器设计模式，有时也称为异步阻塞IO，Java中的Selector选择器和Linux中的epoll都是这种模型。在Linux系统中，对应的系统调用为select/epoll系统调用。通过该系统调用，一个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读/可写），内核能够将就绪的状态返回给应用程序。随后，应用程序根据就绪的状态，进行相应的IO系统。在IO多路复用模型中通过select/epoll系统调用，单个应用程序的线程，可以不断地轮询成百上千的socket连接，当某个或者某些socket网络连接有IO就绪的状态，就返回对应的可以执行的读写操作。

• IO多路复用的特点及优缺点：

1. IO多路复用模型的特点：IO多路复用模型的IO涉及两种系统调用（System Call），一种是select/epoll（就绪查询），一种是IO操作。IO多路复用模型建立在操作系统的基础设施之上，即操作系统的内核必须能够提供多路分离的系统调用select/epoll。和NIO模型相似，多路复用IO也需要轮询。负责select/epoll状态查询调用的线程，需要不断地进行select/epoll轮询，查找出达到IO操作就绪的socket连接。对于注册在选择器上的每一个可以查询的socket连接，一般都设置成为同步非阻塞模型。
2. IO多路复用模型的优点：与一个线程维护一个连接的阻塞IO模式相比，使用select/epoll的最大优势在于，一个选择器查询线程可以同时处理成千上万个连接（Connection）。系统不必创建大量的线程，也不必维护这些线程，从而大大减小了系统的开销。Java语言的NIO（New IO）技术，使用的就是IO多路复用模型。在Linux系统上，使用的是epoll系统调用。
3. IO多路复用模型的缺点：本质上，select/epoll系统调用是阻塞式的，属于同步IO。都需要在读写事件就绪后，由系统调用本身负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。

4、异步IO（Asynchronous IO，简称为AIO）: 指的是用户空间与内核空间的调用方式反过来。用户空间的线程变成被动接受者，而内核空间成了主动调用者。

• 基本流程：用户线程通过系统调用，向内核注册某个IO操作。内核在整个IO操作（包括数据准备、数据复制）完成后，通知用户程序，用户执行后续的业务操作。

• 异步IO模型的特点：在内核等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是阻塞的。用户线程需要接收内核的IO操作完成的事件，或者用户线程需要注册一个IO操作完成的回调函数。正因为如此，异步IO有的时候也被称为信号驱动IO。

异步IO异步模型的缺点：应用程序仅需要进行事件的注册与接收，其余的工作都留给了操作系统，也就是说，需要底层内核提供。

5、Java NIO由以下三个核心组件组成：Channel（通道）、Buffer（缓冲区）、Selector（选择器）。

（1）Buffer类：

• Buffer类是一个非线程安全。MappedByteBuffer是专门用于内存映射的一种ByteBuffer类型。
• Buffer类在其内部，有一个byte[]数组内存块，作为内存缓冲区。为了记录读写的状态和位置，Buffer类提供了一些重要的属性。其中，有四个重要的成员属性：capacity（容量）、position（读写位置）、limit（读写的限制）、mark（标记）。
  1. Buffer类的capacity属性，表示内部容量的大小；Buffer类的capacity属性一旦初始化，就不能再改变。
  2. capacity容量不是指内存块byte[]数组的字节的数量。capacity容量指的是写入的数据对象的数量。
  3. 在读模式下，limit的值含义为最多能从缓冲区中读取到多少数据。
  4. 调用mark()方法设置mark=position,在调用reset()可以让position恢复到mark标记的位置即position=mark。

• 新建一个缓冲区时，缓冲区处于写入模式，这时是可以写数据的。数据写入后，如果要从缓冲区读取数据，这就要进行模式的切换，可以使用（即调用）flip翻转方法，将缓冲区变成读取模式。在这个flip翻转过程中，position会进行非常巨大的调整，具体的规则是：position由原来的写入位置，变成新的可读位置，也就是0，表示可以从头开始读。flip翻转的另外一半工作，就是要调整limit属性。
• 在读取完成后，可以调用Buffer.clear()清空或者Buffer.compact()压缩方法，再一次将缓冲区切换成写入模式。

（2）NIO Channel通道类：

大部分应用场景，从通道读取数据都会调用通道的int read（ByteBufferbuf）方法，它从通道读取到数据写入到ByteBuffer缓冲区，并且返回读取到的数据量；写入数据到通道。都会调用通道的int write（ByteBufferbuf）方法，参数—ByteBuffer缓冲区，是数据的来源。write方法的作用，是从ByteBuffer缓冲区中读取数据，然后写入到通道自身，而返回值是写入成功的字节数。

• File Channel文件通道：FileChannel为阻塞模式，不能设置为非阻塞模式。
• 新建的ByteBuffer，默认是写入模式，可以作为inChannel.read（ByteBuffer）的参数。inChannel.read方法将从通道inChannel读到的数据写入到ByteBuffer。
• 在NIO中，涉及网络连接的通道有两个，一个是SocketChannel负责连接传输，另一个是ServerSocketChannel负责连接的监听。ServerSocketChannel应用于服务器端，而SocketChannel同时处于服务器端和客户端。无论是ServerSocketChannel，还是SocketChannel，都支持阻塞和非阻塞两种。

（3）NIO Selector：

选择器的使命是完成IO的多路复用。一个通道代表一条连接通路，通过选择器可以同时监控多个通道的IO（输入输出）状况。选择器和通道的关系，是监控和被监控的关系。调用通道的Channel.register（Selector sel，int ops）方法，可以将通道实例注册到一个选择器中。register方法有两个参数：第一个参数，指定通道注册到的选择器实例；第二个参数，指定选择器要监控的IO事件类型。

• 可供选择器监控的通道IO事件类型，包括以下四种：

（1）可读：SelectionKey.OP_READ

（2）可写：SelectionKey.OP_WRITE

（3）连接：SelectionKey.OP_CONNECT

（4）接收：SelectionKey.OP_ACCEPT

事件类型的定义在SelectionKey类中。如果选择器要监控通道的多种事件，可以用“按位或”运算符来实现。

• 判断一个通道能否被选择器监控或选择，有一个前提：判断它是否继承了抽象类SelectableChannel（可选择通道）。如果继承了SelectableChannel，则可以被选择，否则不能。一条通道若能被选择，必须继承SelectableChannel。
• 一旦在通道中发生了某些IO事件（就绪状态达成），并且是在选择器中注册过的IO事件，就会被选择器选中，并放入SelectionKey选择键的集合中。通过SelectionKey选择键，不仅仅可以获得通道的IO事件类型，如SelectionKey.OP_READ；还可以获得发生IO事件所在的通道；另外，也可以获得选出选择键的选择器实例。
• 使用选择器，主要有以下三步：

（1）获取选择器实例；（2）将通道注册到选择器中；（3）轮询感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）。

注册到选择器的通道，必须处于非阻塞模式下，否则将抛出IllegalBlockingModeException异常。一个通道，并不一定要支持所有的四种IO事件。例如服务器监听通道ServerSocketChannel，仅仅支持Accept（接收到新连接）IO事件；而SocketChannel传输通道，则不支持Accept（接收到新连接）IO事件。可以在注册之前，可以通过通道的validOps()方法，来获取该通道所有支持的IO事件。

• SelectionKey集合不能添加元素，如果试图向SelectionKey选择键集合中添加元素，则将抛出java.lang. Unsupported-OperationException异常。

select()方法返回的整数值（int整数类型），表示发生了IO事件的通道数量。更准确地说，是从上一次select到这一次select之间，有多少通道发生了IO事件。

6、NIO和OIO的区别：

（1）OIO是面向流（Stream Oriented）的，NIO是面向缓冲区（Buffer Oriented）；

（2）OIO的操作是阻塞的，而NIO的操作是非阻塞，NIO使用了通道和通道的多路复用；

（3）OIO没有选择器（Selector）概念，而NIO有选择器的概念。

7、在NIO中，同一个网络连接使用一个通道表示，所有的NIO的IO操作都是从通道开始的。一个通道类似于OIO中的两个流的结合体，既可以从通道读取，也可以向通道写入。通道的读取，就是将数据从通道读取到缓冲区中；通道的写入，就是将数据从缓冲区中写入到通道。