BIO到NIO的升级演练

黑洞代码

发布于 2021-01-14 15:33:33

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发布于 2021-01-14 15:33:33

IO通信即消息的输入、输出，这涉及到应用、操作系统以及硬件之间的通信，在java中，这涉及到用户态、内核态以及硬件的操作。在jdk1.4之前，IO(统称BIO)通信在Java语言中，性能一直堪忧，基于此，在jdk1.4开始，NIO面世了，并以高性能而闻名，并以此为基础，做了许多结构优化。

一、Java IO 模型

1、同步 VS 异步

同步：每个请求必须逐个的被处理，在上一个请求未执行完之前，下一个请求无法执行。是一种串行的处理模式。在Java语言中，用户线程发起IO操作，必须等待内核IO处理完之后，用户线程才能继续后续工作。

异步：多个请求可以并行工作，每个请求的工作都相对是独立的，不会相互作用。在Java语言中，用户线程发起IO操作，不用等待内核IO的操作，可以直接处理后续工作，等内核IO处理完后，后通知用户线程。例如：线程回调的方式。

2、阻塞 VS 非阻塞

阻塞：某个请求发出后，如果请求需要的条件无法得到满足，则后一直处于等待状态。

非阻塞：某个请求发出后，如果请求需要的资源无法得到满足，也会立即收到结果，告知不满足，不会一直处于等待状态，后面可以通过轮询的方式来判断请求需要的条件是否已经可以满足，并能获取最终结果。

PS：阻塞不等于同步，非阻塞不等于异步，因为侧重点不同。阻塞／非阻塞的侧重点是，请求是否立刻返回，即使返回的是条件不足。而同步／异步的侧重点是，多个请求时，后发的请求是否必须等待先发的请求完成，才能进行后续处理。

2、BIO

BIO就是同步阻塞的IO操作。下图是BIO在进行IO操作时，数据流向过程。

User Space是用户态空间，Kernel Space是内核态空间，Disk是硬盘。

在读取硬盘文件时，首先文件数据是从Disk复制到Kernel Space的buffer，再从Kernel Space的buffer复制到User Space的buffer，最后Java代码操作的是User Space的buffer。

总结：通过BIO，读取硬盘的文件数据，要经历两次复制的操作，才能把数据读取到内存空间。

3、NIO

NIO是同步非阻塞的IO操作。下图是NIO在进行IO操作时，数据流向过程。

User Space是用户态空间，Kernel Space是内核态空间，Disk是硬盘。

在读取硬盘文件时，首先文件数据是从Disk复制到Kernel Space的buffer，该buffer的地址会映射到Physical memory(Direct Memory)中（可以自行查阅内存映射缓冲区），Java代码通过地址映射能直接读取到Kernel Space的buffer中数据。

总结：通过NIO，读取硬盘的文件数据，最多经历一次复制，就能把数据读取到内存中。

4、BIO／NIO文件拷贝测试

在本地同时拷贝一份400M的mp4资源，BIO跟NIO所消耗的时间比较。

public  static  void main(String[] args) throws Exception {
    String sourcePath = "/Users/Desktop/IO.mp4";
    String bioTarget = "/Users/Desktop//IO.bio.mp4";
    String nioTarge = "/Users/Desktop/mytest/课件/IO/IO.nio.mp4";
    long t1 = System.currentTimeMillis();
    bioCopy(sourcePath, bioTarget);
    long t2 = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("BIO实现文件拷贝耗时:" + (t2-t1) + "ms");
    nioCopy(sourcePath, nioTarge);
    long t3 = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("NIO实现文件拷贝耗时:" + (t3-t2) + "ms");
}

private  static  void bioCopy(String sourcePath, String destPath) throws Exception{
    File source = new File(sourcePath);
    File dest = new File(destPath);
    if(!dest.exists()) {
        dest.createNewFile();
    }
    FileInputStream fis = new FileInputStream(source);
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(dest);
    byte [] buf = new byte [1024];
    int len = 0;
    while((len = fis.read(buf)) != -1) {
        fos.write(buf, 0, len);
    }
    fis.close();
    fos.close();
}

private  static  void nioCopy(String sourcePath, String destPath) throws Exception{
    File source = new File(sourcePath);
    File dest = new File(destPath);
    if(!dest.exists()) {
        dest.createNewFile();
    }
    FileInputStream fis = new FileInputStream(source);
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(dest);
    FileChannel sourceCh = fis.getChannel();
    FileChannel destCh = fos.getChannel();
    destCh.transferFrom(sourceCh, 0, sourceCh.size());
    sourceCh.close();
    destCh.close();
}