IO装饰者模式
以 InputStream 为例
- InputStream 是抽象组件;
- FileInputStream 是 InputStream 的子类,属于具体组件,提供了字节流的输入操作;
- FilterInputStream 属于抽象装饰者,装饰者用于装饰组件,为组件提供额外的功能。例如 BufferedInputStream 为 FileInputStream 提供缓存的功能。
实例化一个具有缓存功能的字节流对象时,只需要在 FileInputStream 对象上再套一层 BufferedInputStream 对象即可。
1
2
| FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(filePath);
BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(fileInputStream);
|
IO常见类的使用
磁盘操作
File 类可以用于表示文件和目录的信息,但是它不表示文件的内容。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
| //递归地列出一个目录下所有文件:
public static void listAllFiles(File dir) {
if (dir == null || !dir.exists()) {
return;
}
if (dir.isFile()) {
System.out.println(dir.getName());
return;
}
for (File file : dir.listFiles()) {
listAllFiles(file);
}
}
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
| public static void copyFile(String src, String dist) throws IOException {
FileInputStream in = new FileInputStream(src);
FileOutputStream out = new FileOutputStream(dist);
byte[] buffer = new byte[20 * 1024];
// read() 最多读取 buffer.length 个字节
// 返回的是实际读取的个数
// 返回 -1 的时候表示读到 eof,即文件尾
while (in.read(buffer, 0, buffer.length) != -1) {
out.write(buffer);
}
in.close();
out.close();
}
|
字符操作(Reader 和 Writer )
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
| //实现逐行输出文本文件的内容
public static void readFileContent(String filePath) throws IOException {
FileReader fileReader = new FileReader(filePath);
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(fileReader);
String line;
while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) {
System.out.println(line);
}
// 装饰者模式使得 BufferedReader 组合了一个 Reader 对象
// 在调用 BufferedReader 的 close() 方法时会去调用 Reader 的 close() 方法
// 因此只要一个 close() 调用即可
bufferedReader.close();
}
|
对象操作(序列化Serializable & transient)
序列化就是将一个对象转换成字节序列,方便存储和传输。
- 序列化: ObjectOutputStream.writeObject()
- 反序列化: ObjectInputStream.readObject()
- 序列化的类需要实现Serializable接口,它只是一个标准,没有任何方法需要实现,但是如果不去实现它的话而进行序列化,会抛出异常。
- transient 关键字可以使一些属性不会被序列化。
- 不会对静态变量进行序列化,因为序列化只是保存对象的状态,静态变量属于类的状态。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
| public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
A a1 = new A(123, "abc");
String objectFile = "file/a1";
ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(objectFile));
objectOutputStream.writeObject(a1);
objectOutputStream.close();
ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream(objectFile));
A a2 = (A) objectInputStream.readObject();
objectInputStream.close();
System.out.println(a2);
}
private static class A implements Serializable {
private int x;
private String y;
A(int x, String y) {
this.x = x;
this.y = y;
}
@Override
public String toString() {
return "x = " + x + " " + "y = " + y;
}
}
|
网络操作
- InetAddress: 用于表示网络上的硬件资源,即 IP 地址;
- URL: 统一资源定位符;
- Sockets: 使用 TCP 协议实现网络通信;
- Datagram: 使用 UDP 协议实现网络通信。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
| /**
* InetAddress
* 没有公有的构造函数,只能通过静态方法来创建实例。
*/
InetAddress.getByName(String host);
InetAddress.getByAddress(byte[] address);
/**
* URL
* 可以直接从 URL 中读取字节流数据。
*/
public static void main(String[] args) throws IOException {
URL url = new URL("http://www.baidu.com");
/* 字节流 */
InputStream is = url.openStream();
/* 字符流 */
InputStreamReader isr = new InputStreamReader(is, "utf-8");
/* 提供缓存功能 */
BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
String line;
while ((line = br.readLine()) != null) {
System.out.println(line);
}
br.close();
}
|
Sockets
- ServerSocket: 服务器端类
- Socket: 客户端类
- 服务器和客户端通过 InputStream 和 OutputStream 进行输入输出。
Datagram
- DatagramSocket: 通信类
- DatagramPacket: 数据包类
Unix IO 模型简介
阻塞式 I/O
应用进程被阻塞,直到数据复制到应用进程缓冲区中才返回。
应该注意到,在阻塞的过程中,其它程序还可以执行,因此阻塞不意味着整个操作系统都被阻塞。因为其他程序还可以执行,因此不消耗 CPU 时间,这种模型的执行效率会比较高。
非阻塞式 I/O
应用进程执行系统调用之后,内核返回一个错误码。应用进程可以继续执行,但是需要不断的执行系统调用来获知 I/O 是否完成,这种方式称为轮询(polling)。
由于 CPU 要处理更多的系统调用,因此这种模型是比较低效的。
信号驱动式 I/O(SIGIO)
应用进程使用 sigaction 系统调用,内核立即返回,应用进程可以继续执行,也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号,应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。
相比于非阻塞式 I/O 的轮询方式,信号驱动 I/O 的 CPU 利用率更高。
异步 I/O(AIO)
进行 aio_read 系统调用会立即返回,应用进程继续执行,不会被阻塞,内核会在所有操作完成之后向应用进程发送信号。
异步 I/O 与信号驱动 I/O 的区别在于,异步 I/O 的信号是通知应用进程 I/O 完成,而信号驱动 I/O 的信号是通知应用进程可以开始 I/O。
I/O 复用(select 和 poll)
使用 select 或者 poll 等待数据,并且可以等待多个套接字中的任何一个变为可读,这一过程会被阻塞,当某一个套接字可读时返回。之后再使用 recvfrom 把数据从内核复制到进程中。
它可以让单个进程具有处理多个 I/O 事件的能力。又被称为 Event Driven I/O,即事件驱动 I/O。
如果一个 Web 服务器没有 I/O 复用,那么每一个 Socket 连接都需要创建一个线程去处理。如果同时有几万个连接,那么就需要创建相同数量的线程。并且相比于多进程和多线程技术,I/O 复用不需要进程线程创建和切换的开销,系统开销更小。
IO多路复用工作模式
1. LT 模式
当 epoll_wait() 检测到描述符事件到达时,将此事件通知进程,进程可以不立即处理该事件,下次调用 epoll_wait() 会再次通知进程。是默认的一种模式,并且同时支持 Blocking 和 No-Blocking。
2. ET 模式
和 LT 模式不同的是,通知之后进程必须立即处理事件,下次再调用 epoll_wait() 时不会再得到事件到达的通知。 很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数,因此效率要比 LT 模式高。只支持 No-Blocking,以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。
I/O模型比较
同步I/O与异步I/O
- 同步 I/O: 应用进程在调用 recvfrom 操作时会阻塞。
- 异步 I/O: 不会阻塞。
阻塞式 I/O、非阻塞式 I/O、I/O 复用和信号驱动 I/O 都是同步 I/O,虽然非阻塞式 I/O 和信号驱动 I/O 在等待数据阶段不会阻塞,但是在之后的将数据从内核复制到应用进程这个操作会阻塞。
前四种 I/O 模型的主要区别在于第一个阶段,而第二个阶段是一样的: 将数据从内核复制到应用进程过程中,应用进程会被阻塞。
阻塞IO 和 非阻塞IO
这两个概念是程序级别的。主要描述的是程序请求操作系统IO操作后,如果IO资源没有准备好,那么程序该如何处理的问题: 前者等待;后者继续执行(并且使用线程一直轮询,直到有IO资源准备好了)
同步IO 和 非同步IO
这两个概念是操作系统级别的。主要描述的是操作系统在收到程序请求IO操作后,如果IO资源没有准备好,该如何响应程序的问题: 前者不响应,直到IO资源准备好以后;后者返回一个标记(好让程序和自己知道以后的数据往哪里通知),当IO资源准备好以后,再用事件机制返回给程序。
NIO
Standard IO是对字节流的读写,在进行IO之前,首先创建一个流对象,流对象进行读写操作都是按字节,一个字节一个字节的来读或写。而NIO把IO抽象成块,类似磁盘的读写,每次IO操作的单位都是一个块,块被读入内存之后就是一个byte[],NIO一次可以读或写多个字节。
流与块
I/O 与 NIO 最重要的区别是数据打包和传输的方式,I/O 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据。
面向流的 I/O 一次处理一个字节数据: 一个输入流产生一个字节数据,一个输出流消费一个字节数据。为流式数据创建过滤器非常容易,链接几个过滤器,以便每个过滤器只负责复杂处理机制的一部分。不利的一面是,面向流的 I/O 通常相当慢。
面向块的 I/O 一次处理一个数据块,按块处理数据比按流处理数据要快得多。但是面向块的 I/O 缺少一些面向流的 I/O 所具有的优雅性和简单性。
I/O 包和 NIO 已经很好地集成了,java.io.* 已经以 NIO 为基础重新实现了,所以现在它可以利用 NIO 的一些特性。例如,java.io.* 包中的一些类包含以块的形式读写数据的方法,这使得即使在面向流的系统中,处理速度也会更快。
通道与缓冲区
通道
通道Channel 是对原 I/O 包中的流的模拟,可以通过它读取和写入数据。
通道与流的不同之处在于,流只能在一个方向上移动(一个流必须是 InputStream 或者 OutputStream 的子类),而通道是双向的,可以用于读、写或者同时用于读写。
通道包括以下类型:
- FileChannel: 从文件中读写数据;
- DatagramChannel: 通过 UDP 读写网络中数据;
- SocketChannel: 通过 TCP 读写网络中数据;
- ServerSocketChannel: 可以监听新进来的 TCP 连接,对每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel。
缓冲区
发送给一个通道的所有数据都必须首先放到缓冲区中,同样地,从通道中读取的任何数据都要先读到缓冲区中。也就是说,不会直接对通道进行读写数据,而是要先经过缓冲区。
缓冲区实质上是一个数组,但它不仅仅是一个数组。缓冲区提供了对数据的结构化访问,而且还可以跟踪系统的读/写进程。
缓冲区包括以下类型:
- ByteBuffer
- CharBuffer
- ShortBuffer
- IntBuffer
- LongBuffer
- FloatBuffer
- DoubleBuffer
使用 NIO 快速复制文件的实例
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
| public static void fastCopy(String src, String dist) throws IOException {
/* 获得源文件的输入字节流 */
FileInputStream fin = new FileInputStream(src);
/* 获取输入字节流的文件通道 */
FileChannel fcin = fin.getChannel();
/* 获取目标文件的输出字节流 */
FileOutputStream fout = new FileOutputStream(dist);
/* 获取输出字节流的通道 */
FileChannel fcout = fout.getChannel();
/* 为缓冲区分配 1024 个字节 */
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
while (true) {
/* 从输入通道中读取数据到缓冲区中 */
int r = fcin.read(buffer);
/* read() 返回 -1 表示 EOF */
if (r == -1) {
break;
}
/* 切换读写 */
buffer.flip();
/* 把缓冲区的内容写入输出文件中 */
fcout.write(buffer);
/* 清空缓冲区 */
buffer.clear();
}
}
|
选择器
Selector的英文含义是“选择器”,不过根据我们详细介绍的Selector的岗位职责,您可以把它称之为“轮询代理器”、“事件订阅器”、“channel容器管理机”都行。
NIO 常常被叫做非阻塞 IO,主要是因为 NIO 在网络通信中的非阻塞特性被广泛使用。
NIO 实现了 IO 多路复用中的 Reactor 模型,一个线程 Thread 使用一个选择器 Selector 通过轮询的方式去监听多个通道 Channel 上的事件,从而让一个线程就可以处理多个事件。
通过配置监听的通道 Channel 为非阻塞,那么当 Channel 上的 IO 事件还未到达时,就不会进入阻塞状态一直等待,而是继续轮询其它 Channel,找到 IO 事件已经到达的 Channel 执行。
因为创建和切换线程的开销很大,因此使用一个线程来处理多个事件而不是一个线程处理一个事件具有更好的性能。
应该注意的是,只有套接字 Channel 才能配置为非阻塞,而 FileChannel 不能,为 FileChannel 配置非阻塞也没有意义。
套接字 NIO 实例
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
| public class NIOServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
ssChannel.configureBlocking(false);
ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
ServerSocket serverSocket = ssChannel.socket();
InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888);
serverSocket.bind(address);
while (true) {
selector.select();
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel ssChannel1 = (ServerSocketChannel) key.channel();
// 服务器会为每个新连接创建一个 SocketChannel
SocketChannel sChannel = ssChannel1.accept();
sChannel.configureBlocking(false);
// 这个新连接主要用于从客户端读取数据
sChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
SocketChannel sChannel = (SocketChannel) key.channel();
System.out.println(readDataFromSocketChannel(sChannel));
sChannel.close();
}
keyIterator.remove();
}
}
}
private static String readDataFromSocketChannel(SocketChannel sChannel) throws IOException {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
StringBuilder data = new StringBuilder();
while (true) {
buffer.clear();
int n = sChannel.read(buffer);
if (n == -1) {
break;
}
buffer.flip();
int limit = buffer.limit();
char[] dst = new char[limit];
for (int i = 0; i < limit; i++) {
dst[i] = (char) buffer.get(i);
}
data.append(dst);
buffer.clear();
}
return data.toString();
}
}
public class NIOClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
OutputStream out = socket.getOutputStream();
String s = "hello world";
out.write(s.getBytes());
out.close();
}
}
|
内存映射文件
内存映射文件 I/O 是一种读和写文件数据的方法,它可以比常规的基于流或者基于通道的 I/O 快得多。
向内存映射文件写入可能是危险的,只是改变数组的单个元素这样的简单操作,就可能会直接修改磁盘上的文件。修改数据与将数据保存到磁盘是没有分开的。
NIO 与普通I/O 的区别主要有以下两点
IO多路复用详解
异步IO
阻塞式同步IO、非阻塞式同步IO、多路复用IO 这三种IO模型,以及JAVA对于这三种IO模型的支持。重点说明了IO模型是由操作系统提供支持,且这三种IO模型都是同步IO,都是采用的“应用程序不询问我,我绝不会主动通知”的方式。
异步IO则是采用“订阅-通知”模式: 即应用程序向操作系统注册IO监听,然后继续做自己的事情。当操作系统发生IO事件,并且准备好数据后,在主动通知应用程序,触发相应的函数。
为什么还有Netty
那么有的读者可能就会问,既然JAVA NIO / JAVA AIO已经实现了各主流操作系统的底层支持,那么为什么现在主流的JAVA NIO技术会是Netty和MINA呢? 答案很简单: 因为更好用,这里举几个方面的例子:
- 虽然JAVA NIO 和 JAVA AIO框架提供了 多路复用IO/异步IO的支持,但是并没有提供上层“信息格式”的良好封装。例如前两者并没有提供针对 Protocol Buffer、JSON这些信息格式的封装,但是Netty框架提供了这些数据格式封装(基于责任链模式的编码和解码功能)
- 要编写一个可靠的、易维护的、高性能的(注意它们的排序)NIO/AIO 服务器应用。除了框架本身要兼容实现各类操作系统的实现外。更重要的是它应该还要处理很多上层特有服务,例如: 客户端的权限、还有上面提到的信息格式封装、简单的数据读取。这些Netty框架都提供了响应的支持。
- JAVA NIO框架存在一个poll/epoll bug: Selector doesn’t block on Selector.select(timeout),不能block意味着CPU的使用率会变成100%(这是底层JNI的问题,上层要处理这个异常实际上也好办)。当然这个bug只有在Linux内核上才能重现。
- 这个问题在JDK 1.7版本中还没有被完全解决: http://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=2147719。虽然Netty 4.0中也是基于JAVA NIO框架进行封装的(上文中已经给出了Netty中NioServerSocketChannel类的介绍),但是Netty已经将这个bug进行了处理。
参考文章
- https://www.pdai.tech/md/java/io/java-io-nio.html
- https://www.pdai.tech/md/java/io/java-io-nio-select-epoll.html