《Java核心密卷36讲》11-12讲学习笔记

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Java提供了哪些IO方式？ NIO如何实现多路复用？

Java有几种文件拷贝方式？哪一种最高效？

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Java提供了哪些IO方式？ NIO如何实现多路复用？

典型回答

Java IO方式有很多种，基于不同的IO抽象模型和交互方式，可以进行简单区分。

 

首先，

传统的java.io包，它基于流模型实现，提供了我们最熟知的一些IO功能，比如File抽象、输入输出流等。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 出流时，在读、写动作完成之前，线程会一直阻塞在那里，它们之间的调用是可靠的线性顺序。

java.io包的好处是代码比较简单、直观，缺点则是IO效率和扩展性存在局限性，容易成为应用性能的瓶颈。

很多时候，人们也把java.net下面提供的部分网络API，比如Socket、ServerSocket、HttpURLConnection也归类到同步阻塞IO类库，因为网络通信同样是IO行为。

 

第二，

在Java 1.4中引入了NIO框架（java.nio包），提供了Channel、Selector、Bufer等新的抽象，可以构建多路复用的、同步非阻塞IO程序，同时提供了更接近操作系统底层 的高性能数据操作方式。

 

第三，

在Java 7中，NIO有了进一步的改进，也就是NIO 2，引入了异步非阻塞IO方式，也有很多人叫它AIO（Asynchronous IO）。

异步IO操作基于事件和回调机制，可以简单 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，操作系统会通知相应线程进行后续工作。

知识扩展

区分同步或异步（synchronous/asynchronous）。

简单来说，同步是一种可靠的有序运行机制，当我们进行同步操作时，后续的任务是等待当前调用返回，才会进行下一步；

而异步则相反，其他任务不需要等待当前调用返回，通常依靠事件、回调等机制来实现任务间次序关系。

 

区分阻塞与非阻塞（blocking/non-blocking）。

在进行阻塞操作时，当前线程会处于阻塞状态，无法从事其他任务，只有当条件就绪才能继续，比如ServerSocket新连接建立 完毕，或数据读取、写入操作完成；

而非阻塞则是不管IO操作是否结束，直接返回，相应操作在后台继续处理。

不能一概而论认为同步或阻塞就是低效，具体还要看应用和系统特征。

 

对于java.io，我们都非常熟悉，我这里就从总体上进行一下总结。总体上，我认为你至少需要理解：

IO不仅仅是对文件的操作，网络编程中，比如Socket通信，都是典型的IO操作目标。

输入流、输出流（InputStream/OutputStream）是用于读取或写入字节的，例如操作图片文件。

而Reader/Writer则是用于操作字符，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节，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和原始数据之间的桥梁。

BuferedOutputStream等带缓冲区的实现，可以避免频繁的磁盘读写，进而提高IO处理效率。这种设计利用了缓冲区，将批量数据进行一次操作，但在使用中千万别忘 了fush。

参考下面这张类图，很多IO工具类都实现了Closeable接口，因为需要进行资源的释放。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-resources、 try-fnally等机制保证FileInputStream被明确关闭，进而相应文件描述符也会失效，否则将导致资源无法被释放。利用专栏前面的内容提到 的Cleaner或fnalize机制作为资源释放的最后把关，也是必要的。

NIO的主要组成部分：

Bufer，

高效的数据容器，除了布尔类型，所有原始数据类型都有相应的Bufer实现。

 

Channel，

类似在Linux之类操作系统上看到的文件描述符，是NIO中被用来支持批量式IO操作的一种抽象。

 

File或者Socket，

通常被认为是比较高层次的抽象，而Channel则是更加操作系统底层的一种抽象，这也使得NIO得以充分利用现代操作系统底层机制，获得特定场景的性能优 化，例如，DMA（Direct Memory Access）等。不同层次的抽象是相互关联的，我们可以通过Socket获取Channel，反之亦然。

 

Selector，

是NIO实现多路复用的基础，它提供了一种高效的机制，可以检测到注册在Selector上的多个Channel中，是否有Channel处于就绪状态，进而实现了单线程对 多Channel的高效管理。 Selector同样是基于底层操作系统机制，不同模式、不同版本都存在区别。

 

Chartset，

提供Unicode字符串定义，NIO也提供了相应的编解码器等，例如，通过下面的方式进行字符串到ByteBufer的转换： Charset.defaultCharset().encode("Hello world!"));

NIO能解决什么问题

IO都是同步阻塞模式，所以需要多线程以实现多任务处理。

而NIO则是利用了单线程轮询事件的机制，通过高效地定位就绪的Channel，来决定做什 么，仅仅select阶段是阻塞的，可以有效避免大量客户端连接时，频繁线程切换带来的问题，应用的扩展能力有了非常大的提高。

Java有几种文件拷贝方式？哪一种最高效？

典型回答

Java有多种比较典型的文件拷贝实现方式，比如：

 

利用java.io类库，直接为源文件构建一个FileInputStream读取，然后再为目标文件构建一个FileOutputStream，完成写入工作。

利用java.nio类库提供的transferTo或transferFrom方法实现。

Java标准类库本身已经提供了几种Files.copy的实现。

对于Copy的效率，这个其实与操作系统和配置等情况相关，总体上来说，NIO transferTo/From的方式可能更快，因为它更能利用现代操作系统底层机制，避免不必要拷贝和上下 文切换。

知识扩展

拷贝实现机制分析

先来理解一下，前面实现的不同拷贝方法，本质上有什么明显的区别。

内核态空间（Kernel Space），这是操作系统层面的基本概念，操作系统内核、硬件驱动等运行在内核态空间，具有相对高的特 权；

用户态空间（User Space），则是给普通应用和服务使用。

当我们使用输入输出流进行读写时，实际上是进行了多次上下文切换，比如应用读取数据时，先在内核态将数据从磁盘读取到内核缓存，再切换到用户态将数据从内核缓存读取到用 户缓存。 写入操作也是类似，仅仅是步骤相反，你可以参考下面这张图。

这种方式会带来一定的额外开销，可能会降低IO效率。

 

而基于NIO transferTo的实现方式，在Linux和Unix上，则会使用到零拷贝技术，数据传输并不需要用户态参与，省去了上下文切换的开销和不必要的内存拷贝，进而可能提高应用 拷贝性能。

注意，transferTo不仅仅是可以用在文件拷贝中，与其类似的，例如读取磁盘文件，然后进行Socket发送，同样可以享受这种机制带来的性能和扩展性提高。

transferTo的传输过程是：