Java nio 笔记：系统IO、缓冲区、流IO、socket通道

一、Java IO 和 系统 IO 不匹配

　　在大多数情况下，Java 应用程序并非真的受着 I/O 的束缚。操作系统并非不能快速传送数据，让 Java 有事可做；相反，是 JVM 自身在 I/O 方面效率欠佳。操作系统与 Java 基于流的 I/O模型有些不匹配。操作系统要移动的是大块数据（缓冲区），这往往是在硬件直接存储器存取（DMA）的协助下完成的。而 JVM 的 I/O 操作类喜欢操作小块数据——单个字节、几行文本。结果，操作系统送来整缓冲区的数据，java.io 包的流数据类再花大量时间把它们拆成小块，往往拷贝一个小块就要往返于几层对象。操作系统喜欢整卡车地运来数据，java.io 类则喜欢一铲子一铲子地加工数据。有了 NIO，就可以轻松地把一卡车数据备份到您能直接使用的地方（ByteBuffer 对象）。

　　这并不是说使用传统的 I/O 模型无法移动大量数据——当然可以（现在依然可以）。具体地说，RandomAccessFile类在这方面的效率就不低，只要坚持使用基于数组的read()和write()方法。

　　这些方法与底层操作系统调用相当接近，尽管必须保留至少一份缓冲区拷贝。

　　为了解决这一问题，java.nio 软件包提供了新的抽象。具体地说，就是 Channel和Selector类。

二、 缓冲区

（一）缓冲区操作

缓冲区，以及缓冲区如何工作，是所有 I/O 的基础。所谓“输入／输出”讲的无非就是把数据移进或移出缓冲区。

进程执行 I/O 操作，归结起来，也就是向操作系统发出请求，让它要么把缓冲区里的数据排干(写)，要么用数据把缓冲区填满(读)。进程使用这一机制处理所有数据进出操作。操作系统内部处理这一任务的机制，其复杂程度可能超乎想像，但就概念而言，却非常直白易懂。图 1-1 简单描述了数据从外部磁盘向运行中的进程的内存区域移动的过程。进程使用read()系统调用，要求其缓冲区被填满。内核随即向磁盘控制硬件发出命令，要求其从磁盘读取数据。磁盘控制器把数据直接写入内核内存缓冲区，这一步通过 DMA 完成，无需主CPU协助。一旦磁盘控制器把缓冲区装满，内核即把数据从内核空间的临时缓冲区拷贝到进程执行read()调用时指定的缓冲区。

图 1-1. I/O 缓冲区操作简图

JVM 就是常规进程，驻守于用户空间。用最重要的是，所有 I/O 都直接或间接通过内核空间。当进程请求 I/O 操作的时候，它执行一个系统调用(有时称为陷阱)将控制权移交给内核。C/C++程序员所熟知的底层函数open()、read()、write()和close()要做的无非就是建立和执行适当的系统调用。当内核以这种方式被调用，它随即采取任何必要步骤，找到进程所需数据，并把数据传送到用户空间内的指定缓冲区。内核试图对数据进行高速缓存或预读取，因此进程所需数据可能已经在内核空间里了。如果是这样，该数据只需简单地拷贝出来即可。如果数据不在内核空间，则进程被挂起，内核着手把数据读进内存。

为什么不直接让磁盘控制器把数据送到用户空间的缓冲区呢？这样做有几个问题。首先，硬件通常不能直接访问用户空间。其次，像磁盘这样基于块存储的硬件设备操作的是固定大小的数据块，而用户进程请求的可能是任意大小的或非对齐的数据块。在数据往来于用户空间与存储设备的过程中，内核负责数据的分解、再组合工作，因此充当着中间人的角色。

（二） 发散／汇聚

许多操作系统能把组装／分解过程进行得更加高效。根据发散／汇聚的概念，进程只需一个系统调用，就能把一连串缓冲区地址传递给操作系统。然后，内核就可以顺序填充或排干多个缓冲区，读的时候就把数据发散到多个用户空间缓冲区，写的时候再从多个缓冲区把数据汇聚起来(图1-2)。

图 1-2. 三个缓冲区的发散读操作

这样用户进程就不必多次执行系统调用(那样做可能代价不菲)，内核也可以优化数据的处理过程，因为它已掌握待传输数据的全部信息。如果系统配有多个 CPU，甚至可以同时填充或排干多个缓冲区。

三、 流I/O

并非所有 I/O 都像前几节讲的是面向块的，也有流 I/O，其原理模仿了通道。I/O 字节流必须顺序存取，常见的例子有TTY(控制台)设备、打印机端口和网络连接。

流的传输一般(也不必然如此)比块设备慢，经常用于间歇性输入。多数操作系统允许把流置于非块模式，这样，进程可以查看流上是否有输入，即便当时没有也不影响它干别的。这样一种能力使得进程可以在有输入的时候进行处理，输入流闲置的时候执行其他功能。

比非块模式再进一步，就是就绪性选择。就绪性选择与非块模式类似(常常就是建立在非块模式之上)，但是把查看流是否就绪的任务交给了操作系统。操作系统受命查看一系列流，并提醒进程哪些流已经就绪。这样，仅仅凭借操作系统返回的就绪信息，进程就可以使用相同代码和单一线程，实现多活动流的多路传输。这一技术广泛用于网络服务器领域，用来处理数量庞大的网络连接。就绪性选择在大容量缩放方面是必不可少的。

四、Socket通道

DatagramChannel和SocketChannel实现定义读和写功能的接口而ServerSocketChannel不实现。ServerSocketChannel负责监听传入的连接和创建新的SocketChannel对象，它本身从不传输数据。

socket和socket通道之间的关系。之前的章节中有写道，通道是一个连接I/O服务导管并提供与该服务交互的方法。就某个socket而言，它不会再次实现与之对应的socket通道类中的socket协议 API，而java.net中已经存在的socket通道都可以被大多数协议操作重复使用。

全部socket通道类(DatagramChannel、SocketChannel和ServerSocketChannel)在被实例化时都会创建一个对等socket对象。这些是我们所熟悉的来自java.net的类(Socket、ServerSocket和DatagramSocket)，它们已经被更新以识别通道。对等socket可以通过调用socket()方法从一个通道上获取。此外，这三个java.net类现在都有getChannel()方法。

虽然每个socket通道(在java.nio.channels包中)都有一个关联的java.net socket对象，却并非所有的socket都有一个关联的通道。如果您用传统方式(直接实例化)创建了一个Socket对象，它就不会有关联的SocketChannel并且它的getChannel()方法将总是返回null。

五、ServerSocketChannel

让我们从最简单的ServerSocketChannel来开始对socket通道类的讨论。以下是ServerSocketChannel的完整 API：

public abstract class ServerSocketChannel extends AbstractSelectableChannel {
    public static ServerSocketChannel open() throws IOException
    public abstract ServerSocket socket();
    public abstract ServerSocket accept() throws IOException;
    public final int validOps()
}

ServerSocketChannel是一个基于通道的socket监听器。它同我们所熟悉的java.net.ServerSocket执行相同的基本任务，不过它增加了通道语义，因此能够在非阻塞模式下运行。

用静态的open()工厂方法创建一个新的ServerSocketChannel对象，将会返回同一个未绑定的java.net.ServerSocket关联的通道。该对等ServerSocket可以通过在返回的ServerSocketChannel上调用socket()方法来获取。作为ServerSocketChannel的对等体被创建的ServerSocket对象依赖通道实现。这些socket关联的SocketImpl能识别通道。通道不能被封装在随意的socket对象外面。

由于ServerSocketChannel没有bind()方法，因此有必要取出对等的socket并使用它来绑定到一个端口以开始监听连接。我们也是使用对等ServerSocket的API来根据需要设置其他的socket选项。

ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ServerSocket serverSocket = ssc.socket();
// 监听端口1234
serverSocket.bind (new InetSocketAddress(1234));

同它的对等体java.net.ServerSocket一样，ServerSocketChannel也有accept()方法。一旦您创建了一个ServerSocketChannel并用对等socket绑定了它，然后您就可以在其中一个上调用accept()。如果您选择在ServerSocket上调用accept()方法，那么它会同任何其他的ServerSocket表现一样的行为：总是阻塞并返回一个java.net.Socket对象。如果您选择在ServerSocketChannel上调用accept()方法则会返回SocketChannel类型的对象，返回的对象能够在非阻塞模式下运行。假设系统已经有一个安全管理器(security manager)，两种形式的方法调用都执行相同的安全检查。

如果以非阻塞模式被调用，当没有传入连接在等待时，ServerSocketChannel.accept()会立即返回null。正是这种检查连接而不阻塞的能力实现了可伸缩性并降低了复杂性。可选择性也因此得到实现。我们可以使用一个选择器实例来注册一个ServerSocketChannel 对象以实现新连接到达时自动通知的功能。例 3-7 演示了如何使用一个非阻塞的accept()方法：

/*
 *例 3-7 使用ServerSocketChannel的非阻塞accept()方法
 */
package com.ronsoft.books.nio.channels;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.net.InetSocketAddress;
/**
* Test nonblocking accept() using ServerSocketChannel.
* Start this program, then "telnet localhost 1234" to
* connect to it.
*
* @author Ron Hitchens (ron@ronsoft.com)
*/
public class ChannelAccept {
    public static final String GREETING = "Hello I must be going.\r\n";

    public static void main (String [] argv) throws Exception {
        int port = 1234; //默认端口
        if (argv.length > 0) {
            port = Integer.parseInt(argv[0]);
        }
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap (GREETING.getBytes());
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.socket().bind (new InetSocketAddress(port));
        ssc.configureBlocking(false);
        while(true) {
            System.out.println ("Waiting for connections");
            SocketChannel sc = ssc.accept();
            if (sc == null) {
                // no connections, snooze a while
                Thread.sleep (2000);
            } else {
                System.out.println ("Incoming connection from: " + sc.socket().getRemoteSocketAddress());
                buffer.rewind();
                sc.write(buffer);
                sc.close();
            }
        }
    }
}

前面列出的最后一个方法validOps()是同选择器一起使用的。

Reference：

Java nio入门教程详解(三)