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关于Java I/O 模型的原理知识点

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  • 作者:码农之家原创
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这篇文章主要知识点是关于java、I/O模型、演进、JavaI/O深入学习之输入和输出 的内容,如果大家想对相关知识点有系统深入的学习,可以参阅以下java相关的电子书

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探索Java I/O 模型的演进

相关概念

同步和异步

描述的是用户线程与内核的交互方式:

  • 同步是指用户线程发起 I/O 请求后需要等待或者轮询内核 I/O 操作完成后才能继续执行;
  • 异步是指用户线程发起 I/O 请求后仍继续执行,当内核 I/O 操作完成后会通知用户线程,或者调用用户线程注册的回调函数。

阻塞和非阻塞

描述的是用户线程调用内核 I/O 操作的方式:

  • 阻塞是指 I/O 操作需要彻底完成后才返回到用户空间;
  • 非阻塞是指 I/O 操作被调用后立即返回给用户一个状态值,无需等到 I/O 操作彻底完成。

一个 I/O 操作其实分成了两个步骤:发起 I/O 请求和实际的 I/O 操作。 阻塞 I/O 和非阻塞 I/O 的区别在于第一步,发起 I/O 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 I/O ,如果不阻塞,那么就是非阻塞 I/O 。 同步 I/O 和异步 I/O 的区别就在于第二个步骤是否阻塞,如果实际的 I/O 读写阻塞请求进程,那么就是同步 I/O 。

Unix I/O 模型

Unix 下共有五种 I/O 模型:

  • 阻塞 I/O
  • 非阻塞 I/O
  • I/O 复用(select 和 poll)
  • 信号驱动 I/O(SIGIO)
  • 异步 I/O(POSIX 的 aio_系列函数)

阻塞 I/O

请求无法立即完成则保持阻塞。

阶段1:等待数据就绪。网络 I/O 的情况就是等待远端数据陆续抵达;磁盘I/O的情况就是等待磁盘数据从磁盘上读取到内核态内存中。
阶段2:数据从内核拷贝到进程。出于系统安全,用户态的程序没有权限直接读取内核态内存,因此内核负责把内核态内存中的数据拷贝一份到用户态内存中。

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非阻塞 I/O

  • socket 设置为 NONBLOCK(非阻塞)就是告诉内核,当所请求的 I/O 操作无法完成时,不要将进程睡眠,而是返回一个错误码(EWOULDBLOCK) ,这样请求就不会阻塞
  • I/O 操作函数将不断的测试数据是否已经准备好,如果没有准备好,继续测试,直到数据准备好为止。整个 I/O 请求的过程中,虽然用户线程每次发起 I/O 请求后可以立即返回,但是为了等到数据,仍需要不断地轮询、重复请求,消耗了大量的 CPU 的资源
  • 数据准备好了,从内核拷贝到用户空间。

探索Java I/O 模型的演进

一般很少直接使用这种模型,而是在其他 I/O 模型中使用非阻塞 I/O 这一特性。这种方式对单个 I/O 请求意义不大,但给 I/O 多路复用铺平了道路.

I/O 复用(异步阻塞 I/O)

I/O 多路复用会用到 select 或者 poll 函数,这两个函数也会使进程阻塞,但是和阻塞 I/O 所不同的的,这两个函数可以同时阻塞多个 I/O 操作。而且可以同时对多个读操作,多个写操作的 I/O 函数进行检测,直到有数据可读或可写时,才真正调用 I/O 操作函数。

探索Java I/O 模型的演进

从流程上来看,使用 select 函数进行 I/O 请求和同步阻塞模型没有太大的区别,甚至还多了添加监视 socket,以及调用 select 函数的额外操作,效率更差。但是,使用 select 以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个 socket 的 I/O 请求。用户可以注册多个 socket,然后不断地调用 select 读取被激活的 socket,即可达到在同一个线程内同时处理多个 I/O 请求的目的。而在同步阻塞模型中,必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

I/O 多路复用模型使用了 Reactor 设计模式实现了这一机制。

调用 select / poll 该方法由一个用户态线程负责轮询多个 socket,直到某个阶段1的数据就绪,再通知实际的用户线程执行阶段2的拷贝。 通过一个专职的用户态线程执行非阻塞I/O轮询,模拟实现了阶段一的异步化

信号驱动 I/O(SIGIO)

首先我们允许 socket 进行信号驱动 I/O,并安装一个信号处理函数,进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时,进程会收到一个 SIGIO 信号,可以在信号处理函数中调用 I/O 操作函数处理数据。

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异步 I/O

调用 aio_read 函数,告诉内核描述字,缓冲区指针,缓冲区大小,文件偏移以及通知的方式,然后立即返回。当内核将数据拷贝到缓冲区后,再通知应用程序。

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异步 I/O 模型使用了 Proactor 设计模式实现了这一机制。

告知内核,当整个过程(包括阶段1和阶段2)全部完成时,通知应用程序来读数据.

几种 I/O 模型的比较

前四种模型的区别是阶段1不相同,阶段2基本相同,都是将数据从内核拷贝到调用者的缓冲区。而异步 I/O 的两个阶段都不同于前四个模型。

同步 I/O 操作引起请求进程阻塞,直到 I/O 操作完成。异步 I/O 操作不引起请求进程阻塞。

探索Java I/O 模型的演进

常见 Java I/O 模型

在了解了 UNIX 的 I/O 模型之后,其实 Java 的 I/O 模型也是类似。

“阻塞I/O”模式

在上一节 Socket 章节中的 EchoServer 就是一个简单的阻塞 I/O 例子,服务器启动后,等待客户端连接。在客户端连接服务器后,服务器就阻塞读写取数据流。

EchoServer 代码:

public class EchoServer {
public static int DEFAULT_PORT = 7;

public static void main(String[] args) throws IOException {

int port;
try {
port = Integer.parseInt(args[0]);
} catch (RuntimeException ex) {
port = DEFAULT_PORT;
}
try (
ServerSocket serverSocket =
new ServerSocket(port);
Socket clientSocket = serverSocket.accept(); 
PrintWriter out =
new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true); 
BufferedReader in = new BufferedReader(
new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
) {
String inputLine;
while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
out.println(inputLine);
}
} catch (IOException e) {
System.out.println("Exception caught when trying to listen on port "
+ port + " or listening for a connection");
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}

改进为“阻塞I/O+多线程”模式

使用多线程来支持多个客户端来访问服务器。

主线程 MultiThreadEchoServer.java

public class MultiThreadEchoServer {
public static int DEFAULT_PORT = 7;
public static void main(String[] args) throws IOException {
int port;
try {
port = Integer.parseInt(args[0]);
} catch (RuntimeException ex) {
port = DEFAULT_PORT;
}
Socket clientSocket = null;
try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);) {
while (true) {
clientSocket = serverSocket.accept();
// MultiThread
new Thread(new EchoServerHandler(clientSocket)).start();
}
} catch (IOException e) {
System.out.println(
"Exception caught when trying to listen on port " + port + " or listening for a connection");
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}

处理器类 EchoServerHandler.java

public class EchoServerHandler implements Runnable {
private Socket clientSocket;
public EchoServerHandler(Socket clientSocket) {
this.clientSocket = clientSocket;
}
@Override
public void run() {
try (PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));) {
String inputLine;
while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
out.println(inputLine);
}
} catch (IOException e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}

存在问题:每次接收到新的连接都要新建一个线程,处理完成后销毁线程,代价大。当有大量地短连接出现时,性能比较低。

改进为“阻塞I/O+线程池”模式

针对上面多线程的模型中,出现的线程重复创建、销毁带来的开销,可以采用线程池来优化。每次接收到新连接后从池中取一个空闲线程进行处理,处理完成后再放回池中,重用线程避免了频率地创建和销毁线程带来的开销。

主线程 ThreadPoolEchoServer.java

public class ThreadPoolEchoServer {
public static int DEFAULT_PORT = 7;
public static void main(String[] args) throws IOException {
int port;
try {
port = Integer.parseInt(args[0]);
} catch (RuntimeException ex) {
port = DEFAULT_PORT;
}
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);
Socket clientSocket = null;
try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);) {
while (true) {
clientSocket = serverSocket.accept();
// Thread Pool
threadPool.submit(new Thread(new EchoServerHandler(clientSocket)));
}
} catch (IOException e) {
System.out.println(
"Exception caught when trying to listen on port " + port + " or listening for a connection");
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}

存在问题:在大量短连接的场景中性能会有提升,因为不用每次都创建和销毁线程,而是重用连接池中的线程。但在大量长连接的场景中,因为线程被连接长期占用,不需要频繁地创建和销毁线程,因而没有什么优势。

虽然这种方法可以适用于小到中度规模的客户端的并发数,如果连接数超过 100,000或更多,那么性能将很不理想。

改进为“非阻塞I/O”模式

“阻塞I/O+线程池”网络模型虽然比”阻塞I/O+多线程”网络模型在性能方面有提升,但这两种模型都存在一个共同的问题:读和写操作都是同步阻塞的,面对大并发(持续大量连接同时请求)的场景,需要消耗大量的线程来维持连接。CPU 在大量的线程之间频繁切换,性能损耗很大。一旦单机的连接超过1万,甚至达到几万的时候,服务器的性能会急剧下降。

而 NIO 的 Selector 却很好地解决了这个问题,用主线程(一个线程或者是 CPU 个数的线程)保持住所有的连接,管理和读取客户端连接的数据,将读取的数据交给后面的线程池处理,线程池处理完业务逻辑后,将结果交给主线程发送响应给客户端,少量的线程就可以处理大量连接的请求。

Java NIO 由以下几个核心部分组成:

  • Channel
  • Buffer
  • Selector

要使用 Selector,得向 Selector 注册 Channel,然后调用它的 select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回,线程就可以处理这些事件,事件的例子有如新连接进来,数据接收等。

主线程 NonBlokingEchoServer.java

public class NonBlokingEchoServer {
public static int DEFAULT_PORT = 7;
public static void main(String[] args) throws IOException {
int port;
try {
port = Integer.parseInt(args[0]);
} catch (RuntimeException ex) {
port = DEFAULT_PORT;
}
System.out.println("Listening for connections on port " + port);
ServerSocketChannel serverChannel;
Selector selector;
try {
serverChannel = ServerSocketChannel.open();
InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);
serverChannel.bind(address);
serverChannel.configureBlocking(false);
selector = Selector.open();
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
} catch (IOException ex) {
ex.printStackTrace();
return;
}
while (true) {
try {
selector.select();
} catch (IOException ex) {
ex.printStackTrace();
break;
}
Set<SelectionKey> readyKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iterator = readyKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
iterator.remove();
try {
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel client = server.accept();
System.out.println("Accepted connection from " + client);
client.configureBlocking(false);
SelectionKey clientKey = client.register(selector,
SelectionKey.OP_WRITE | SelectionKey.OP_READ);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
clientKey.attach(buffer);
}
if (key.isReadable()) {
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer output = (ByteBuffer) key.attachment();
client.read(output);
}
if (key.isWritable()) {
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer output = (ByteBuffer) key.attachment();
output.flip();
client.write(output);
output.compact();
}
} catch (IOException ex) {
key.cancel();
try {
key.channel().close();
} catch (IOException cex) {
}
}
}
}
}
}

改进为“异步I/O”模式

Java SE 7 版本之后,引入了异步 I/O (NIO.2) 的支持,为构建高性能的网络应用提供了一个利器。

主线程 AsyncEchoServer.java

public class AsyncEchoServer {
public static int DEFAULT_PORT = 7;
public static void main(String[] args) throws IOException {
int port;
try {
port = Integer.parseInt(args[0]);
} catch (RuntimeException ex) {
port = DEFAULT_PORT;
}
ExecutorService taskExecutor = Executors.newCachedThreadPool(Executors.defaultThreadFactory());
// create asynchronous server socket channel bound to the default group
try (AsynchronousServerSocketChannel asynchronousServerSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open()) {
if (asynchronousServerSocketChannel.isOpen()) {
// set some options
asynchronousServerSocketChannel.setOption(StandardSocketOptions.SO_RCVBUF, 4 * 1024);
asynchronousServerSocketChannel.setOption(StandardSocketOptions.SO_REUSEADDR, true);
// bind the server socket channel to local address
asynchronousServerSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(port));
// display a waiting message while ... waiting clients
System.out.println("Waiting for connections ...");
while (true) {
Future<AsynchronousSocketChannel> asynchronousSocketChannelFuture = asynchronousServerSocketChannel
.accept();
try {
final AsynchronousSocketChannel asynchronousSocketChannel = asynchronousSocketChannelFuture
.get();
Callable<String> worker = new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
String host = asynchronousSocketChannel.getRemoteAddress().toString();
System.out.println("Incoming connection from: " + host);
final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
// transmitting data
while (asynchronousSocketChannel.read(buffer).get() != -1) {
buffer.flip();
asynchronousSocketChannel.write(buffer).get();
if (buffer.hasRemaining()) {
buffer.compact();
} else {
buffer.clear();
}
}
asynchronousSocketChannel.close();
System.out.println(host + " was successfully served!");
return host;
}
};
taskExecutor.submit(worker);
} catch (InterruptedException | ExecutionException ex) {
System.err.println(ex);
System.err.println("\n Server is shutting down ...");
// this will make the executor accept no new threads
// and finish all existing threads in the queue
taskExecutor.shutdown();
// wait until all threads are finished
while (!taskExecutor.isTerminated()) {
}
break;
}
}
} else {
System.out.println("The asynchronous server-socket channel cannot be opened!");
}
} catch (IOException ex) {
System.err.println(ex);
}
}
}

源码

本章例子的源码,可以在 https://github.com/waylau/essential-java 中 com.waylau.essentialjava.net.echo 包下找到。

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持码农之家。

JavaI/O深入学习之输入和输出

前言

编程语言的I/O类库中常使用流这个抽象概念,它代表任何有能力产出数据的数据源对象或者是有能力接收数据的接收端对象。“流”屏蔽了实际的I/O设备中处理数据的细节。

在文章:<<Java I/O深入学习之File和RandomAccessFile>>中,我们讲到RandomAccessFile可以写入和读取文件,具备I/O功能,但是其只能针对文件,而I/O还涉及到很多其他场景比如网络、读取内存中的字符串等,所以Java类库中提供了一系列的类库来对其进行支持,也就是本文要总结学习的。

Java类库中的I/O类分成输入和输出两部分,可以在JDK文档里的类层次结构中查看到。通过继承,任何自Inputstream或Reader派生而来的类都含有名为read()的基本方法,用于读取单个字节或者字节数组。同样,任何自OutputStream或Writer派生而来的类都含有名为write()的基本方法,用于写单个字节或者字节数组。

但是,我们通常不会用到这些方法,它们之所以存在是因为别的类可以使用它们,以便提供更有用的接口。因此,我们很少使用单一的类来创建流对象,而是通过叠合多个对象来提供所期望的功能(这是装饰器设计模式的应用,也有专门写文总结过:装饰器模式)。实际上,Java中“流”类库让人迷惑的主要原因就在于:创建单一的结果流,却需要创建多个对象。

I/O需要应对的场景往往是多样化的,Java类库的设计者则是通过创建大量的类来解决这个难题,区区一篇文章难以详述,本文也只是尽力对传统I/O类库所涉及到的类提供一个总览,在把握整个脉络的前提下才能更好的理解并应用I/O类库来解决实际编程问题。如需涉及到细节,还是需要参考JDK文档。

1. InputStream/OutputStream

Java 1.0中,类库的设计者首先限定与输入有关的所有类都应该从InputStream继承,而与输出有关的所有类都应该从OutputStream继承。

1.1 InputStream

InputStream的作用是用来表示那些从不同数据源产生输入的类。这些数据源包括:

  • 字节数组;
  • String对象;
  • 文件;
  • “管道”,工作方式与实际管道相似,即从一端输入,从另一端输出;
  • 一个由其他种类的流组成的序列,以便我们可以将它们收集合并到一个流内;
  • 其他数据源,如Internet连接等;

每一种数据源都有相应的InputStream子类,作为基础构件:

  • ByteArrayInputStream,允许将内存的缓冲区当作InputStream使用;
  • StringBufferInputStream,将String转换成InputStream;
  • FileInputStream,用于从文件中读取信息;
  • PipedInputStream,产生用于写入相关PipedOutputStream的数据。实现“管道化”概念;
  • SequenceInputStream,将两个或多个InputStream对象转换成单一InputStream;

1.2 OutputStream

OutputStream的作用是表示那些可以输出到不同数据源的类,其具体的子类决定了输出所要去往的目标:字节数组、文件或管道,同样是作为基础构件:

  • ByteArrayOutputStream,在内存中创建缓冲区。所有送往“流”的数据都要放置在此缓冲区;
  • FileOutputStream,用于将信息写至文件;
  • PipedOutputStream,任何写入其中的信息都会自动作为相关PipedInputStream的输出,实现“管道化”概念;

1.3 装饰器

除了有上面的基础构件,还有两个子类:FilterInputStream/FilterOutputStream,也是InputStream和OutputStream的子类,它们为“装饰器”(decorator)类提供基类,其中,“装饰器”类可以把属性或有用的接口与基础构件连接在一起。因为上面提到的InputStream/OutputStream是单字节为单位来操作的,而真实的I/O场景远不止于此,所以就通过“装饰”(其原理是类之间的组合)的方式来扩展其功能。

我自己梳理了一下InputStream/OutputStream流继承层次结构,结合下面的解释来看可以对字节流体系有一个更清晰的认识:

JavaI/O深入学习之输入和输出

1.3.1 FilterInputStream

FilterInputStream类主要有如下子类,也就是具体装饰器:

  • DataInputStream;
  • BufferedInputStream;
  • LineNumberInputStream;

其提供的装饰功能主要在两个方面:

  • 读取不同的基本类型数据以及String对象,比如DataInputStream;
  • 在内部修改InputStream的行为方式:是否缓冲、是否保留它所读过的行,如BuffereInputStream、LineNumberInputStream;

1.3.2 FilterOutputStream

与FilterInputStream类似,FilterOutputStream主要是完成写入的功能,主要有如下装饰器:

  • DataOutputStream,与DataInputStream搭配使用,因此可以按照可移植方式向流中写入基本类型数据(int、char、long);
  • PrintStream,用于产生格式化输出。其中DataOutputStream处理数据的存储,PrintStream处理显示;
  • BufferedOutputStream,使用它以避免每次发送数据时都要进行实际的写操作。代表“使用缓冲区”。可以调用flush()清空缓冲区;

2. Writer/Reader

InputStream和OutputStream是提供面向字节形式的I/O,但是InputStream/OutputStream流继承层次结构仅支持8位字节流,并且不能很好地处理16位的Unicode字符。由于Unicode用于字符国际化(Java本身的char也是16位的Unicode),所以添加Reader/Writer继承层次结构就是为了在所有的I/O操作中都支持Unicode。

几乎所有原始的Java I/O流类都有相应的Reader和Writer类来提供天然的Unicode操作,我们可以对比一下:

JavaI/O深入学习之输入和输出

我们发现大体上,这两个不同的继承层次结构中的接口即使不能完全相同,但是也是非常相似的。

对于InputStream和OutputStream来说,我们会使用FilterInputStream和FilterOutputStream的装饰器子类来修改“流”以满足特殊需要。Reader/Writer的类继承层次结构继续沿用相同的思想,但是又并不完全采用上面说到的装饰器模式。如下是自己梳理的Reader/Writer继承层次结构:

JavaI/O深入学习之输入和输出

与前面的I/O继承层次结构图相对比可以发现,尽管BufferedOutputStream是FilterOutputStream的子类,但是BufferedWriter并不是FilterWriter的子类(FilterWriter是抽象类,但是没有任何子类,仅仅是作为一个占位符)。

2.1 适配器

有时我们必须把来自于“字节”层次结构中的类和“字符”层次结构中的类结合起来使用。为了实现这个目的,要用到“适配器”(adapter)类:InputStreamReader可以把InputStream转换为Reader,而OutputStreamWriter可以把OutputStream转换为Writer。

3. 总结

  • I/O需要应对的场景往往是多样化的,Java类库的设计者通过创建大量的类来解决这个难题,在实际使用中,通过装饰器模式避免“类爆炸”,但类的数量还是不少,这也是Java中“流”类库让人迷惑的主要原因;
  • InputStream和OutputStream是提供面向字节形式的I/O,而Reader和Writer则提供兼容Unicode与面向字符的IO功能;
  • 如果需要把字节流和字符流结合起来使用,可以使用适配器进行转换,InputStreamReader可以把InputStream转换为Reader,而OutputStreamWriter可以把OutputStream转换为Writer;

本文主要是梳理了传统I/O流的类继承层次结构,包括字节流(InputStream/OutputStream)和字符流(Writer/Reader),并没有一开始就一头扎进I/O类库的海洋中,主要是希望通过这种方式能够对整个I/O体系有一个清晰的认识,这对于进一步的学习可以有更明确的指导作用,下文会针对一些I/O的的典型使用方式进行总结。

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持码农之家。

以上就是本次给大家分享的关于Java的全部知识点内容总结,大家还可以在下方相关文章里找到swing组件JScrollPane滚动条实、 Java IO流之字符缓冲流的实、 WebUploader实现分片断点上传、 等java文章进一步学习,感谢大家的阅读和支持。

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