Java 语言实现的 I/O 模型

1.概述

1.发展历史

• JDK 1.4 之前，Java 所提供的网络编程API全部采用了I/O同步阻塞模型

• JDK 1.4 引入了非阻塞I/O(NIO)类库，自此Java语言可以支持多路复用I/O模型

• JDK 1.7 引入了异步I/O编程类库，被称为NIO2，也叫AIO

2.Java NIO 开源网络通信框架

• Mina：Apache

• Grizzly：

• Netty：JBoss。事件驱动模型，线程模型。TCP/UDP，HTTP协议栈、SSL/TLS、STARTTLS，Applet、Android。

2.Java Classic I/O (Blocking I/O) 介绍

2.1 Streams 字节流 & Writer 与 Reader 字符流

java.io 包提供了对字节流、字符流进行输入/输出操作的多种包装类以适用多种应用场景：

• 字节流：8 bit，Java Stream

• 字符流：16 bit，字符集、字符编码

• Java_io 体系之目录

2.2 Java blocking I/O 网络通信实现

--客户端Socket的使用方式：

• 创建Socket对象，使用创建的Socket连接远程主机

• 建立连接后，从Socket得到输入流与输出流，Socket是全双工通道，可以使用这两个流与服务器之间相互发送数据

--服务端ServerSocket的使用方式：

• 绑定一个特定的端口创建ServerSocket对象

• 使用ServerSocket的accept()方法监听这个端口的请求连接，accept()会一直阻塞直到通过某个请求连接与客户端建立连接，此时accept()将返回客户端与服务端的连接的Socket对象

• 通过Socket对象的getInputStream()与getOutputStream()方法获得与客户端通信的输入流与输出流，进行通信交互

• 完成交互后关闭连接

3.Java Non-blocking I/O (NIO) 介绍

3.1 Buffer 缓冲区

• 在Classic I/O库中，数据直接面向Stream写入或者读取，而在NIO库中，数据读取与写入面向的是Buffer对象，这种差异使性能得到了巨大提高

• 缓冲区实质上是一个数组，java.nio库中提供了Buffer的抽象类

• 四个属性：0 <= 标记（Mark） <= 位置（Position）<= 上界（Limit）<= 容量（Capacity）

3.2 Channel 通道

• Classic I/O中的Stream是单向的，通过OutputStream实现输出流，InputStream实现输入流。而NIO中的Channel是一个全双工通道，可以通过Channel实现同时读取与写入。如果说Buffer是运输沙子的卡车，Channel就是卡车行驶的道路。

• 文件读写通道、网络读写通道：
  FileChannel：
  DatagramChannel：通过UDP协议读写网络数据
  SocketChannel：通过TCP/IP协议读写网络数据，客户端连接通道
  ServerSocketChannel：SocketChannel对应的服务端通道实现，通过监听新的TCP/IP连接，对每一个新的连接创建新的SocketChannel

3.3 Selector 选择器

• Channel在Selector上注册，Selector通过不断轮询注册在其上的Channel，能够感知到Channel可读或者可写事件

3.4 Java I/O 复用网络通信实现

• NIO实现I/O复用模型整个编程模型较为复杂。在实际项目中，一般不会直接使用原生NIO的API构建网络通信程序，而是使用Mina、Netty、Grizzly其中之一来构建我们的网络通信服务。

4.NIO2 及 Asynchoronous I/O 介绍

• NIO2主要改进了Classic I/O中java.io.File类对文件操作的局限性

• NIO2还带来了真正意义上的Asynchronous I/O（异步I/O），具体实现分为文件Asynchronous I/O与网络传输Asynchronous I/O

4.1 NIO2 在 File 操作方面的升级

• Path介绍：URI，FileSystems

• Paths、Files工具类介绍

• WatchService接口：提供了通过应用程序监听操作系统文件变更事件的能力

4.2 文件读写 Asynchronous I/O

• NIO2通过AsynchronousFileChannel提供了异步读写文件的功能。通过AsynchronousFileChannel异步读写文件有CompletionHandler与Future两种方式。

4.3 Java 异步 I/O 网络通信实现

• NIO2通过引入AsynchronousSocketChannel与AsynchronousServerSocketChannel实现了异步I/O网络通信模型。