《深入分析JavaWEB 技术内幕》第二章深入分析Java I/O的工作机制(上)

基本架构

• 基于字节操作的I/O接口：InputStream和OutputStream
• 基于字符操作的I/O接口：Writer和Reader(提供字符流的目的是为了方便字符的处理，无需额外转换编码格式)
• 基于磁盘操作的I/O接口：File（类似于SQL当中的DDL语句）
• 基于网络操作的I/O接口：Socket

前两组主要是传输数据的数据格式，后两组主要是传输数据的方式。
字节流和字符流直接可以相互转换，InputStreamReader就能将字节流转换为字符流，OutputStreamWriter能将字符流转换为字节流。
其中还包含节点流和处理流，节点流就是直接的裸的获取或者写入某些资源，而处理流就是包装在节点流外面来加快传输，由于磁盘IO是很耗时的，直接一段一段的写肯定没有一次性写入很多来得快。
InputStream的类结构图大概如下所示（版本Jdk11）

OutputStream的类结构图大概如下所示(版本Jdk11)

字符写入操作Writer

读字符Reader

磁盘I/O工作机制

由于磁盘设备是由操作系统管理的，所以需要调用读写，只能通过通过系统调用的方式来工作，而系统调用可能就会导致内核空间地址和用户空间地址的切换问题(Java多线程也会出现内核态和用户态切换的，所以也存在这种问题)，操作系统为了保护系统本身的运行安全，将内核程序运行使用的内存空间和用户程序运行的内存空间隔离开，这样就会存在数据在两个空间之间复制的问题。
可使用缓存来减少直接读取I/O的次数(BufferedInputStream等)

标准访问读取方式

标准访问文件的方式就是应用程序调用read()接口，操作系统首先检查内核的高速缓存中有没有需要的数据，如果有，从缓存中返回，如果没有从磁盘中读取缓存于缓存中。

写入则使用write()接口，将数据从用户地址空间复制到内核地址空间的缓存中。具体写入时间由系统决定，除非写入sync同步命令。

直接访问方式

直接访问磁盘，不进过内核缓存区。
由应用程序自己缓存所需数据（比如热点数据），还能对数据实现预加载，一般用于数据库管理系统中，
但是每次新数据都需要在磁盘中读取，所以相对耗时。
异步Ｉ/O和直接Ｉ/O结合使用一般能达到比较好的效果。

同步访问文件的方式

与标准方式类似，不过只有当数据成功写入后才会返回成功的标志(参考volatile关键字)，
性能较差，只有对安全性要求较高时才使用。

异步访问文件的方式

就是不用强调同步，无需阻塞等待结果。

内存映射的方式

内存中的一块区域与磁盘中的文件关联起来，减少数据从内核缓存到倥偬空间缓存的数据复制的操作。

Java访问磁盘文件

一般的步骤：
1.建立一个File对象(及时直接创建节点流，也是在内部创建一个FIle对象)
2.将FIle与节点流绑定(这一步会检查是否文件真的存在，打开对应文件流，如果是输出，则会创建一个，如果是输入便会抛出异常；然后与FileDescription对象绑定，这对象便能与系统底层交互)
3.用处理流包装节点流
4.操作

Java序列化技术

将对象转换为一串二进制表示的字节数组。
总结一些复杂操作的情况：

• 父类实现Serializable接口时，子类可以被序列化
• 子类实现而父类未实现，父类字段会丢失
• 某类的字段为引用类型时，而该类型未实现Serializable接口，报错
• 反序列化时，被修改的部分字段会丢失
• 反序列化时，如果serialVersionUID被修改，失败。

纯Java环境(反)序列化能很好的工作，但是多语言场景下，其他语言便很难还原，建议使用JSON。

网络I/O工作机制

TCP状态

影响网络传输的因素

• 网络带宽：一条物理链路在1s内能够传输的最大比特数
• 传输距离：光速也是有上限的，而且存在一个折射率
• TCP拥堵控制：带宽×RTT = 缓冲窗口的大小

Java Socket的工作机制

通过ip找到主机位置，通过端口号确认是哪个程序

建立通信链路

操作系统会为创建的Socket实例分配IP与端口号，并创建一个包含本地地址，目标地址和端口的套接字数据结构，直到关闭前该结构都会保留。在构造函数正确返回前，会进行三次握手，完成则创建完成。
ServerSocket则是对应服务器端的，只需使用一个未使用的端口号进行监听即可。

数据传输

每个Socket实例都有对应的输入输出流，通过它们来交换数据。
当创建Socket对象时，操作系统会为其分配一定大小的缓存区，数据的读入与输出都是依靠缓存区完成的，写入端将数据写到OutputStream对应的SendQ队列中，当队列满时，数据被转移到对方的InputStream的RecvQ队列中，如果也满了，write方法就会被阻塞，直到RecvQ有足够的空间容纳SendQ的数据为止。
如果两边同时发数据，阔能出现死锁的情况。