Java基礎知識雜文

1.基本概念

IO是主存和外部設備(硬盤、終端和網絡等)拷貝數據的過程。IO是操作系統的底層功能實現，底層通過I/O指令進行完成。

所有語言運行時系統提供執行I/O較高級別的工具。(c的printfscanf,java的面向對象封裝)

2.Java標準io回顧

Java標準IO類庫是io面向對象的一種抽象。基于本地方法的底層實現，我們無須關注底層實現。InputStream\OutputStream(字節流)：一次傳送一個字節。Reader\Writer(字符流)：一次一個字符。

3.nio簡介

nio是javaNewIO的簡稱，在jdk1.4里提供的新api。Sun官方標榜的特性如下：

–為所有的原始類型提供(Buffer)緩存支持。

–字符集編碼解碼解決方案。

–Channel：一個新的原始I/O抽象。

–支持鎖和內存映射文件的文件訪問接口。

–提供多路(non-bloking)非阻塞式的高伸縮性網絡I/O。

本文將圍繞這幾個特性進行學習和介紹。

4.Buffer&Chanel

Channel和buffer是NIO是兩個最基本的數據類型抽象。

Buffer:

–是一塊連續的內存塊。

–是NIO數據讀或寫的中轉地。

Channel:

–數據的源頭或者數據的目的地

–用于向buffer提供數據或者讀取buffer數據,buffer對象的唯一接口。

–異步I/O支持

例子 1:CopyFile.java:

package sample;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class CopyFile {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		String infile = "C:\\copy.sql";
		String outfile = "C:\\copy.txt";
		// 獲取源文件和目標文件的輸入輸出流 
		FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
		FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);
		// 獲取輸入輸出通道 
		FileChannel fcin = fin.getChannel();
		FileChannel fcout = fout.getChannel();
		// 創建緩沖區 
		ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
		while (true) {
			// clear方法重設緩沖區，使它可以接受讀入的數據 
			buffer.clear();
			// 從輸入通道中將數據讀到緩沖區 
			int r = fcin.read(buffer);
			// read方法返回讀取的字節數，可能為零，如果該通道已到達流的末尾，則返回-1 
			if (r == -1) {
				break;
			}
			// flip方法讓緩沖區可以將新讀入的數據寫入另一個通道 
			buffer.flip();
			// 從輸出通道中將數據寫入緩沖區 
			fcout.write(buffer);
		}
	}
}

其中 buffer 內部結構如下 ( 下圖拷貝自資料 ):

圖2：buffer內部結構

一個buffer主要由position,limit,capacity三個變量來控制讀寫的過程。此三個變量的含義見如下表格：

Buffer常見方法：

flip():寫模式轉換成讀模式

rewind()：將position重置為0，一般用于重復讀。

clear()：清空buffer，準備再次被寫入(position變成0，limit變成capacity)。

compact():將未讀取的數據拷貝到buffer的頭部位。

mark()、reset():mark可以標記一個位置，reset可以重置到該位置。

Buffer常見類型：ByteBuffer、MappedByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer。

channel常見類型:FileChannel、DatagramChannel(UDP)、SocketChannel(TCP)、ServerSocketChannel(TCP)

在本機上面做了個簡單的性能測試。我的筆記本性能一般。(具體代碼可以見附件。見nio.sample.filecopy包下面的例子)以下是參考數據：

–場景1：Copy一個370M的文件

–場景2:三個線程同時拷貝，每個線程拷貝一個370M文件

5.nio.charset

字符編碼解碼:字節碼本身只是一些數字，放到正確的上下文中被正確被解析。向ByteBuffer中存放數據時需要考慮字符集的編碼方式，讀取展示ByteBuffer數據時涉及對字符集解碼。

Java.nio.charset提供了編碼解碼一套解決方案。

以我們最常見的http請求為例，在請求的時候必須對請求進行正確的編碼。在得到響應時必須對響應進行正確的解碼。

以下代碼向baidu發一次請求，并獲取結果進行顯示。例子演示到了charset的使用。

例子2BaiduReader.java

package nio.readpage;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.io.IOException;
public class BaiduReader {
	private Charset charset = Charset.forName("GBK");
	// 創建GBK字符集 
	private SocketChannel channel;
	public void readHTMLContent() {
		try {
			InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress( 
			"www.baidu.com", 80);
			//step1:打開連接 
			channel = SocketChannel.open(socketAddress);
			//step2:發送請求，使用GBK編碼 
			channel.write(charset.encode("GET " + "/ HTTP/1.1" + "\r\n\r\n"));
			//step3:讀取數據 
			ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
			// 創建1024字節的緩沖 
			while (channel.read(buffer) != -1) {
				buffer.flip();
				// flip方法在讀緩沖區字節操作之前調用。 
				System.out.println(charset.decode(buffer));
				// 使用Charset.decode方法將字節轉換為字符串 
				buffer.clear();
				// 清空緩沖
			}
		}
		catch (IOException e) {
			System.err.println(e.toString());
		}
		finally {
			if (channel != null) {
				try {
					channel.close();
				}
				catch (IOException e) {
				}
			}
		}
	}
	public static void main(String[] args) {
		new BaiduReader().readHTMLContent();
	}
}

6.非阻塞IO

關于非阻塞IO將從何為阻塞、何為非阻塞、非阻塞原理和異步核心API幾個方面來理解。

何為阻塞？

一個常見的網絡IO通訊流程如下:

從該網絡通訊過程來理解一下何為阻塞:

在以上過程中若連接還沒到來，那么accept會阻塞,程序運行到這里不得不掛起，CPU轉而執行其他線程。

在以上過程中若數據還沒準備好，read會一樣也會阻塞。

阻塞式網絡IO的特點：多線程處理多個連接。每個線程擁有自己的棧空間并且占用一些CPU時間。每個線程遇到外部為準備好的時候，都會阻塞掉。阻塞的結果就是會帶來大量的進程上下文切換。且大部分進程上下文切換可能是無意義的。比如假設一個線程監聽一個端口，一天只會有幾次請求進來，但是該cpu不得不為該線程不斷做上下文切換嘗試，大部分的切換以阻塞告終。

何為非阻塞？

下面有個隱喻：

一輛從A開往B的公共汽車上，路上有很多點可能會有人下車。司機不知道哪些點會有哪些人會下車，對于需要下車的人，如何處理更好？

1.司機過程中定時詢問每個乘客是否到達目的地，若有人說到了，那么司機停車，乘客下車。(類似阻塞式)

2.每個人告訴售票員自己的目的地，然后睡覺，司機只和售票員交互，到了某個點由售票員通知乘客下車。(類似非阻塞)

很顯然，每個人要到達某個目的地可以認為是一個線程，司機可以認為是CPU。在阻塞式里面，每個線程需要不斷的輪詢，上下文切換，以達到找到目的地的結果。而在非阻塞方式里，每個乘客(線程)都在睡覺(休眠)，只在真正外部環境準備好了才喚醒，這樣的喚醒肯定不會阻塞。

非阻塞的原理

把整個過程切換成小的任務，通過任務間協作完成。

由一個專門的線程來處理所有的IO事件，并負責分發。

事件驅動機制：事件到的時候觸發，而不是同步的去監視事件。

線程通訊：線程之間通過wait,notify等方式通訊。保證每次上下文切換都是有意義的。減少無謂的進程切換。

以下是異步IO的結構：

Reactor就是上面隱喻的售票員角色。每個線程的處理流程大概都是讀取數據、解碼、計算處理、編碼、發送響應。

異步IO核心API

Selector

異步IO的核心類，它能檢測一個或多個通道(channel)上的事件，并將事件分發出去。

使用一個select線程就能監聽多個通道上的事件，并基于事件驅動觸發相應的響應。而不需要為每個channel去分配一個線程。

SelectionKey

包含了事件的狀態信息和時間對應的通道的綁定。

總結

以上就是本文關于Java基礎知識雜文的全部內容，希望對大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續參閱本站其他相關專題，如有不足之處，歡迎留言指出。感謝朋友們對本站的支持！