Java IO

Before

IO 分为：
同步、异步
阻塞、非阻塞

同步和异步是目的，阻塞和非阻塞是实现方式。

一个IO操作其实分成了两个步骤：发起IO请求和实际的IO操作。
同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的IO读写阻塞请求进程，那么就是同步IO。
阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步，发起IO请求是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO。

IO操作可以分为3类：同步阻塞（即早期的IO操作）、同步非阻塞（NIO）、异步（AIO）

BIO、NIO、AIO适用场景分析:

BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。
NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4开始支持。
AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。

IO

https://www.cnblogs.com/ylspace/p/8128112.html

Java I/O主要包括如下几个层次，包含三个部分：
1.流式部分,IO的主体部分；
2.非流式部分,主要包含一些辅助流式部分的类，如：File类、RandomAccessFile类和FileDescriptor等类；
3.其他类,文件读取部分的与安全相关的类，如：SerializablePermission类，以及与本地操作系统相关的文件系统的类，如：FileSystem类和Win32FileSystem类和WinNTFileSystem类。

流：代表任何有能力产出数据的数据源对象或者是有能力接受数据的接收端对象

IO流的分类

根据处理数据类型的不同分为：字符流和字节流
根据数据流向不同分为：输入流和输出流
按数据来源（去向）分类：
1、File（文件）： FileInputStream, FileOutputStream, FileReader, FileWriter
2、byte[]：ByteArrayInputStream, ByteArrayOutputStream
3、Char[]: CharArrayReader,CharArrayWriter
4、String:StringBufferInputStream, StringReader, StringWriter
5、网络数据流：InputStream,OutputStream, Reader, Writer

流序列中的数据既可以是未经加工的原始二进制数据，也可以是经一定编码处理后符合某种格式规定的特定数据。因此Java中的流分为两种：

字节流：数据流中最小的数据单元是字节
字符流：数据流中最小的数据单元是字符， Java中的字符是Unicode编码，一个字符占用两个字节。

字符流的由来： Java中字符是采用Unicode标准，一个字符是16位，即一个字符使用两个字节来表示。为此，JAVA中引入了处理字符的流。因为数据编码的不同，而有了对字符进行高效操作的流对象。本质其实就是基于字节流读取时，去查了指定的码表。

NIO

http://www.iteye.com/magazines/132-Java-NIO

三个关键组成：
Buffer
Channel
Selector

深入浅出NIO之Channel、Buffer
https://www.jianshu.com/p/052035037297

Buffer

一块缓存区，内部使用字节数组存储数据，并维护几个特殊变量，实现数据的反复利用。

1、mark：初始值为-1，用于备份当前的position;
2、position：初始值为0，position表示当前可以写入或读取数据的位置，当写入或读取一个数据后，position向前移动到下一个位置；
3、limit：写模式下，limit表示最多能往Buffer里写多少数据，等于capacity值；读模式下，limit表示最多可以读取多少数据。
4、capacity：缓存数组大小

ByteBuffer的实现类包括"HeapByteBuffer"和"DirectByteBuffer"两种。

HeapByteBuffer通过初始化字节数组hd，在虚拟机堆上申请内存空间。
DirectByteBuffer通过unsafe.allocateMemory申请堆外内存，并在ByteBuffer的address变量中维护指向该内存的地址。
unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0)方法把新申请的内存数据清零。

Channel

NIO把它支持的I/O对象抽象为Channel，Channel又称“通道”，类似于原I/O中的流（Stream），但有所区别：
1、流是单向的，通道是双向的，可读可写。
2、流读写是阻塞的，通道可以异步读写。
3、流中的数据可以选择性的先读到缓存中，通道的数据总是要先读到一个缓存中，或从缓存中写入

目前已知Channel的实现类有：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

FileChannel的read、write和map通过其实现类FileChannelImpl实现。
通过上述实现可以看出，基于channel的文件数据读取步骤如下：
1、申请一块和缓存同大小的DirectByteBuffer bb。
2、读取数据到缓存bb，底层由NativeDispatcher的read实现。
3、把bb的数据读取到dst（用户定义的缓存，在jvm中分配内存）。
read方法导致数据复制了两次。

通过上述实现可以看出，基于channel的文件数据写入步骤如下：
1、申请一块DirectByteBuffer，bb大小为byteBuffer中的limit - position。
2、复制byteBuffer中的数据到bb中。
3、把数据从bb中写入到文件，底层由NativeDispatcher的write实现
write方法也导致了数据复制了两次

File file = new RandomAccessFile("data.txt", "rw");
FileChannel channel = file.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = channel.read(buffer);
while (bytesRead != -1) {
    System.out.println("Read " + bytesRead);
    buffer.flip();
    while(buffer.hasRemaining()){
        System.out.print((char) buffer.get());
    }
    buffer.clear();
    bytesRead = channel.read(buffer);
}
file.close();

注意buffer.flip() 的调用，首先将数据写入到buffer，然后变成读模式，再从buffer中读取数据。

Selector

深入浅出NIO之Selector实现原理
https://www.jianshu.com/p/0d497fe5484a

为了实现 Selector 管理多个 SocketChannel，必须将具体的 SocketChannel 对象注册到 Selector，并声明需要监听的事件（这样 Selector 才知道需要记录什么数据），一共有4种事件：

1、connect：客户端连接服务端事件，对应值为SelectionKey.OP_CONNECT(8)
2、accept：服务端接收客户端连接事件，对应值为SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
3、read：读事件，对应值为SelectionKey.OP_READ(1)
4、write：写事件，对应值为SelectionKey.OP_WRITE(4)

这个很好理解，每次请求到达服务器，都是从connect开始，connect成功后，服务端开始准备accept，准备就绪，开始读数据，并处理，最后写回数据返回。

所以，当SocketChannel有对应的事件发生时，Selector都可以观察到，并进行相应的处理。

SocketChannel、ServerSocketChannel 和 Selector 的实例初始化都通过 SelectorProvider 类实现，其中 Selector 是整个 NIO Socket 的核心实现。

实例

服务端

public class NIOServer {

    /*接受数据缓冲区*/
    private ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    /*发送数据缓冲区*/
    private  ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    private Selector selector;

    public NIOServer(int port) throws IOException {
        // 打开服务器套接字通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 服务器配置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 检索与此通道关联的服务器套接字
        ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
        // 进行服务的绑定
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port));
        // 通过open()方法找到Selector
        selector = Selector.open();
        // 注册到selector，等待连接
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("Server Start----:");
    }

    //
    private void listen() throws IOException {
        while (true) {
            selector.select();
            Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey selectionKey = iterator.next();
                iterator.remove();
                handleKey(selectionKey);
            }
        }
    }

    private void handleKey(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
        // 接受请求
        ServerSocketChannel server = null;
        SocketChannel client = null;
        String receiveText;
        String sendText;
        int count=0;
        // 测试此键的通道是否已准备好接受新的套接字连接。
        if (selectionKey.isAcceptable()) {
            // 返回为之创建此键的通道。
            server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
            // 接受到此通道套接字的连接。
            // 此方法返回的套接字通道（如果有）将处于阻塞模式。
            client = server.accept();
            // 配置为非阻塞
            client.configureBlocking(false);
            // 注册到selector，等待连接
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        } else if (selectionKey.isReadable()) {
            // 返回为之创建此键的通道。
            client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
            //将缓冲区清空以备下次读取
            receivebuffer.clear();
            //读取服务器发送来的数据到缓冲区中
            count = client.read(receivebuffer);
            if (count > 0) {
                receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count);
                System.out.println("服务器端接受客户端数据--:"+receiveText);
                client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
            }
        } else if (selectionKey.isWritable()) {
            //将缓冲区清空以备下次写入
            sendbuffer.clear();
            // 返回为之创建此键的通道。
            client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
            sendText="message from server--";
            //向缓冲区中输入数据
            sendbuffer.put(sendText.getBytes());
            //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位
            sendbuffer.flip();
            //输出到通道
            client.write(sendbuffer);
            System.out.println("服务器端向客户端发送数据--："+sendText);
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        }
    }

    /**
    * @param args
    * @throws IOException
    */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        int port = 8080;
        NIOServer server = new NIOServer(port);
        server.listen();
    }
}

客户端

public class NIOClient {
    /*接受数据缓冲区*/
    private static ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    /*发送数据缓冲区*/
    private static ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 打开socket通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        // 设置为非阻塞方式
        socketChannel.configureBlocking(false);
        // 打开选择器
        Selector selector = Selector.open();
        // 注册连接服务端socket动作
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
        // 连接
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));

        Set selectionKeys;
        Iterator iterator;
        SelectionKey selectionKey;
        SocketChannel client;
        String receiveText;
        String sendText;
        int count=0;

        while (true) {
            //选择一组键，其相应的通道已为 I/O 操作准备就绪。
            //此方法执行处于阻塞模式的选择操作。
            selector.select();
            //返回此选择器的已选择键集。
            selectionKeys = selector.selectedKeys();
            //System.out.println(selectionKeys.size());
            iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                selectionKey = iterator.next();
                if (selectionKey.isConnectable()) {
                    System.out.println("client connect");
                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                    // 判断此通道上是否正在进行连接操作。
                    // 完成套接字通道的连接过程。
                    if (client.isConnectionPending()) {
                        client.finishConnect();
                        System.out.println("完成连接!");
                        sendbuffer.clear();
                        sendbuffer.put("Hello,Server".getBytes());
                        sendbuffer.flip();
                        client.write(sendbuffer);
                    }
                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } else if (selectionKey.isReadable()) {
                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                    //将缓冲区清空以备下次读取
                    receivebuffer.clear();
                    //读取服务器发送来的数据到缓冲区中
                    count=client.read(receivebuffer);
                    if(count>0){
                        receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count);
                        System.out.println("客户端接受服务器端数据--:"+receiveText);
                        client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
                    }

                } else if (selectionKey.isWritable()) {
                    sendbuffer.clear();
                    client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                    sendText = "message from client--";
                    sendbuffer.put(sendText.getBytes());
                    //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位
                    sendbuffer.flip();
                    client.write(sendbuffer);
                    System.out.println("客户端向服务器端发送数据--："+sendText);
                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                }
            }
            selectionKeys.clear();
        }
    }
}

Java IO

Before

IO

NIO

Buffer

Channel

Selector

实例

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