Java中IO和NIO的本质和区别
文章目錄
- 簡介
- IO的本質
- DMA和虛擬地址空間
- IO的分類
- IO和NIO的區別
- 總結
簡介
終于要寫到java中最最讓人激動的部分了IO和NIO。IO的全稱是input output，是java程序跟外部世界交流的橋梁，IO指的是java.io包中的所有類，他們是從java1.0開始就存在的。NIO叫做new IO，是在java1.4中引入的新一代IO。
IO的本質是什么呢？它和NIO有什么區別呢？我們該怎么學習IO和NIO呢？
別急，看完這篇文章一切都有答案。
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IO的本質
IO的作用就是從外部系統讀取數據到java程序中，或者把java程序中輸出的數據寫回到外部系統。這里的外部系統可能是磁盤，網絡流等等。
因為對所有的外部數據的處理都是由操作系統內核來實現的，對于java應用程序來說，只是調用操作系統中相應的接口方法，從而和外部數據進行交互。
所有IO的本質就是對Buffer的處理，我們把數據放入Buffer供系統寫入外部數據，或者從系統Buffer中讀取從外部系統中讀取的數據。如下圖所示：
用戶空間也就是我們自己的java程序有一個Buffer，系統空間也有一個buffer。所以會出現系統空間緩存數據的情況，這種情況下系統空間將會直接返回Buffer中的數據，提升讀取速度。
DMA和虛擬地址空間
在繼續講解之前，我們先講解兩個操作系統中的基本概念，方便后面我們對IO的理解。
現代操作系統都有一個叫做DMA（Direct memory access）的組件。這個組件是做什么的呢？
一般來說對內存的讀寫都是要交給CPU來完成的，在沒有DMA的情況下，如果程序進行IO操作，那么所有的CPU時間都會被占用，CPU沒法去響應其他的任務，只能等待IO執行完成。這在現代應用程序中是無法想象的。
如果使用DMA，則CPU可以把IO操作轉交給其他的操作系統組件，比如數據管理器來操作，只有當數據管理器操作完畢之后，才會通知CPU該IO操作完成。現代操作系統基本上都實現了DMA。
虛擬地址空間也叫做（Virtual address space），為了不同程序的互相隔離和保證程序中地址的確定性，現代計算機系統引入了虛擬地址空間的概念。簡單點講可以看做是跟實際物理地址的映射，通過使用分段或者分頁的技術，將實際的物理地址映射到虛擬地址空間。
對于上面的IO的基本流程圖中，我們可以將系統空間的buffer和用戶空間的buffer同時映射到虛擬地址空間的同一個地方。這樣就省略了從系統空間拷貝到用戶空間的步驟。速度會更快。
同時為了解決虛擬空間比物理內存空間大的問題，現代計算機技術一般都是用了分頁技術。
分頁技術就是將虛擬空間分為很多個page，只有在需要用到的時候才為該page分配到物理內存的映射，這樣物理內存實際上可以看做虛擬空間地址的緩存。
虛擬空間地址分頁對IO的影響就在于，IO的操作也是基于page來的。
比較常用的page大小有：1,024, 2,048, 和 4,096 bytes。
IO的分類
IO可以分為File/Block IO和Stream I/O兩類。
對于File/Block IO來說，數據是存儲在disk中，而disk是由filesystem來進行管理的。我們可以通過filesystem來定義file的名字，路徑，文件屬性等內容。
filesystem通過把數據劃分成為一個個的data blocks來進行管理。有些blocks存儲著文件的元數據，有些block存儲著真正的數據。
最后filesystem在處理數據的過程中，也進行了分頁。filesystem的分頁大小可以跟內存分頁的大小一致，或者是它的倍數，比如 2,048 或者 8,192 bytes等。
并不是所有的數據都是以block的形式存在的，我們還有一類IO叫做stream IO。
stream IO就像是管道流，里面的數據是序列被消費的。
IO和NIO的區別
java1.0中的IO是流式IO，它只能一個字節一個字節的處理數據，所以IO也叫做Stream IO。
而NIO是為了提升IO的效率而生的，它是以Block的方式來讀取數據的。
Stream IO中，input輸入一個字節，output就輸出一個字節，因為是Stream，所以可以加上過濾器或者過濾器鏈，可以想想一下web框架中的filter chain。在Stream IO中，數據只能處理一次，你不能在Stream中回退數據。
在Block IO中，數據是以block的形式來被處理的，因此其處理速度要比Stream IO快，同時可以回退處理數據。但是你需要自己處理buffer，所以復雜程度要比Stream IO高。
一般來說Stream IO是阻塞型IO，當線程進行讀或者寫操作的時候，線程會被阻塞。
而NIO一般來說是非阻塞的，也就是說在進行讀或者寫的過程中可以去做其他的操作，而讀或者寫操作執行完畢之后會通知NIO操作的完成。
在IO中，主要分為DataOutPut和DataInput，分別對應IO的out和in。
DataOutPut有三大類，分別是Writer，OutputStream和ObjectOutput。
看下他們中的繼承關系：
DataInput也有三大類，分別是ObjectInput，InputStream和Reader。
看看他們的繼承關系：
ObjectOutput和ObjectInput類比較少，這里就不列出來了。
統計一下大概20個類左右，搞清楚這20個類的用處，恭喜你java IO你就懂了！
對于NIO來說比較復雜一點，首先，為了處理block的信息，需要將數據讀取到buffer中，所以在NIO中Buffer是一個非常中要的概念，我們看下NIO中的Buffer：
從上圖我們可以看到NIO中為我們準備了各種各樣的buffer類型使用。
另外一個非常重要的概念是channel，channel是NIO獲取數據的通道：
NIO需要掌握的類的個數比IO要稍稍多一點，畢竟NIO要復雜一點。
就這么幾十個類，我們就掌握了IO和NIO，想想都覺得興奮。
總結
后面的文章中，我們會介紹小師妹給你們認識，剛好她也在學java IO，后面的學習就跟她一起進行吧，敬請期待。
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本文作者：flydean程序那些事
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本文來源：flydean的博客
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的Java中IO和NIO的本质和区别的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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