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java与IO

2022-04-04 22:31:40   0  举报

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AI智能生成

描述Java中IO相关内容。从编程API到系统IO模型。包括他们中间的衔接过程，从API调用到系统调用，用户态到内核态切换。优缺点，资源使用情况等。

IO模型

netty

JavaIO

字节流Stream

模版推荐

作者其他创作

大纲/内容

概述

javaIO模型概述

参考：

https://blog.csdn.net/weixin_34638282/article/details/114082186?ops_request_misc=&request_id=&biz_id=102&utm_term=java%20IO&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~sobaiduweb~default-3-114082186.nonecase&spm=1018.2226.3001.4187

javaIO和系统IO衔接

回归到计算机组成层面回到这个问题

Stream流的驱动力

NIO

JavaIO模型

tips：太多记不住？

站在内存（程序运行在内存中）的角度看命名

*InputStream输入到内存中，因此有read系列方法，将流的字节读取到变量中

*OutputStream从内存中输出，因此有write系列方法，将直接写入到流中。这个流将直接写入到哪了？那是具体实现类的问题

Reader\Writer面向字符，和InputStream、OutputStream最大的区别是中间加了编码

其他的File*，Object*,Pipe*等就对不同源的具体实现类

inputStream.read()方法阻塞吗？

其实InputStream（对应OutputStream不重复强调）是一个非常高的抽象，它只定义了，可以从Stream中读取字节。并不一定会阻塞

比如ByteArrayInputStream，可以直接从直接数组中构造。然后从数组中直接返回read(),这显然是不阻塞的。

哪里给我们read()方法阻塞的错觉？因为大部分时候用到Stream流都直接或间接的连接到系统IO。系统IO会阻塞

这里（直接或间接）就是Stream系用到了装饰者模式

比如FileInputStream.read()方法的注释：

Reads a byte of data from this input stream. This method blocks if no input is yet available.

如果输入还没有准备好？这里隐隐约约已经体现了java程序和系统IO之间的关系。下面我们将在系统IO与程序IO的角度来分析这个问题

JavaIO和系统IO衔接

参考：

https://blog.csdn.net/zuoxiaolong8810/article/details/9974525?utm_source=itdadao&utm_medium=referral

https://blog.csdn.net/qq_42052956/article/details/111562280

java程序在这里阻塞了线程，在等待系统IO准备好数据。CPU在这个时候应该是可以释放出去的，浪费了什么？

系统层面是谁怎么准备好的数据？

线程切换到内核态，等于当前CPU仍然在处理这次读操作。切换到内核态后，完成数据从磁盘空间到内核空间到用户空间的读取，最终返回。将CPU再交给程序进行执行。

java FileInputStream的native read方法中，最终调用的是系统函数Read_File。该函数传入的参数中，包括需要读取的字符长度，需要写入的内存地址。且该方法是同步阻塞的。内部需要完成从磁盘将数据读取到内核，最终写入传入的程序内存地址中。最终返回读取到的字节长度

read的Linux版实现，用的同步阻塞模型。

read()调用的时候，属于系统调用，会导致用户态到内核态转换。CPU使用有用户线程切换到系统线程。

可以理解为CPU还是在处理这次读操作。

对于JVM来说，浪费了什么资源？

线程资源

当前申请的线程资源仍然处于活跃等待中。无法被其他任务使用

并发大的时候需要申请更多的线程资源

对应线程占用的计算机资源，比如内存。系统句柄等

Java线程和系统线程的关系？

jdk1.2之后，Java的线程本质上对应一条系统线程。

对应的，如果线程创建过多，系统消耗将非常大。线程切换的消耗也很大

Stream流的驱动力

Stream流只提供了获取和写入字节等的接口定义。仍然需要程序主动循环读取和写入对应字节。

PipedInputStream管道流使用说明

用在不同线程之间传输数据用的

且强调不要在一个线程中使用

参考

https://blog.csdn.net/zlp1992/article/details/50298195/

outputStream转inputStream问题

问题

一个程序要写一个输出流outputStream，现在需要将这个outputStream，转成一个InputStream，给另外一个程序读取，写成另外一个文件

方案一

程序要写outputStream，程序内部肯定会尝试不断的循环write，直到自己的数据写完。中间可能因为Stream的实现发生线程阻塞。

同理，需要读InputStream的程序，也会循环去读取数据，直到读完位置。中间也可能发生阻塞。

所以同一个线程里面，不存在Piped管道的方案，能够智能的将这个衔接上。

单一线程方案：直接写入到ByteArrayOutputStream中，直接将流写成内存字节数组。再讲数组转到InputStream中

方案二

程序写outputStream和程序读InputStream放入到两个线程中执行。然后用Piped*Stream进行衔接

NIO

Linux的5种IO模型

Java应用到的IO模型

BIO：同步阻塞IO模型

NIO：

Java 1.4 中引入，对应 java.nio 包

提供了 Channel , Selector，Buffer 等抽象

它支持面向缓冲的，基于通道的 I/O 操作方法。 对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用 NIO 。

Java 中的 NIO 属于同步非阻塞 IO 模型

模型

升级模型

IO多路复用模型

AIO

AIO 是 Java 1.7 之后引入的包

基于回调实现

JDK 7 引入了Asynchronous I/O，即AIO。在进行I/O编程中，常用的2种模式：Reactor和Proactor。Java的NIO就是Reactor：当有事件触发时，服务器端得到通知，进行相应的处理。 AIO即NIO2.0，叫做异步非阻塞IO。AIO引入异步通道的概念，采用了Proactor模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用。 目前AIO还没有广泛应用，Netty也是基于NIO，而不是AIO。

对比

NIO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，弹幕系统，服务器间通讯等。编程比较复杂，JDK1.4开始支持。Netty基于的是NIO。 AIO方式适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。AIO暂未得到广泛应用。

参考

https://blog.csdn.net/m0_46517444/article/details/118928565

https://www.cnblogs.com/zackstang/p/14584218.html

对应模型的API

Netty中的IO模型

当前Netty是基于NIO模型

它的异步特征是netty通过自己的线程模型实现的，给work线程提供的异步效果

NIO解放了什么

提高业务线程有效利用率

同时给业务线程提供了异步编程的能力