Java基础知识杂文

1.基本概念

io是主存和外部设备(硬盘、终端和网络等)拷贝数据的过程。io是操作系统的底层功能实现，底层通过i/o指令进行完成。

所有语言运行时系统提供执行i/o较高级别的工具。(c的printfscanf,java的面向对象封装)

2.java标准io回顾

java标准io类库是io面向对象的一种抽象。基于本地方法的底层实现，我们无须关注底层实现。inputstream\outputstream(字节流)：一次传送一个字节。reader\writer(字符流)：一次一个字符。

3.nio简介

nio是javanewio的简称，在jdk1.4里提供的新api。sun官方标榜的特性如下：

–为所有的原始类型提供(buffer)缓存支持。

–字符集编码解码解决方案。

–channel：一个新的原始i/o抽象。

–支持锁和内存映射文件的文件访问接口。

–提供多路(non-bloking)非阻塞式的高伸缩性网络i/o。

本文将围绕这几个特性进行学习和介绍。

4.buffer&chanel

channel和buffer是nio是两个最基本的数据类型抽象。

buffer:

–是一块连续的内存块。

–是nio数据读或写的中转地。

channel:

–数据的源头或者数据的目的地

–用于向buffer提供数据或者读取buffer数据,buffer对象的唯一接口。

–异步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";
        // 获取源文件和目标文件的输入输出流
        fileinputstream fin = new fileinputstream(infile);
        fileoutputstream fout = new fileoutputstream(outfile);
        // 获取输入输出通道
        filechannel fcin = fin.getchannel();
        filechannel fcout = fout.getchannel();
        // 创建缓冲区
        bytebuffer buffer = bytebuffer.allocate(1024);
        while (true) {
            // clear方法重设缓冲区，使它可以接受读入的数据
            buffer.clear();
            // 从输入通道中将数据读到缓冲区
            int r = fcin.read(buffer);
            // read方法返回读取的字节数，可能为零，如果该通道已到达流的末尾，则返回-1
            if (r == -1) {
                break;
            }
            // flip方法让缓冲区可以将新读入的数据写入另一个通道
            buffer.flip();
            // 从输出通道中将数据写入缓冲区
            fcout.write(buffer);
        }
    }
}

其中 buffer 内部结构如下 ( 下图拷贝自资料 ):

图2：buffer内部结构

一个buffer主要由position,limit,capacity三个变量来控制读写的过程。此三个变量的含义见如下表格：

 

参数	写模式	读模式
position	当前写入的单位数据数量。	当前读取的单位数据位置。
limit	代表最多能写多少单位数据和容量是一样的。	代表最多能读多少单位数据，和之前写入的单位数据量一致。
capacity	buffer 容量	buffer 容量

 

buffer常见方法：

flip():写模式转换成读模式

rewind()：将position重置为0，一般用于重复读。

clear()：清空buffer，准备再次被写入(position变成0，limit变成capacity)。

compact():将未读取的数据拷贝到buffer的头部位。

mark()、reset():mark可以标记一个位置，reset可以重置到该位置。

buffer常见类型：bytebuffer、mappedbytebuffer、charbuffer、doublebuffer、floatbuffer、intbuffer、longbuffer、shortbuffer。

channel常见类型:filechannel、datagramchannel(udp)、socketchannel(tcp)、serversocketchannel(tcp)

在本机上面做了个简单的性能测试。我的笔记本性能一般。(具体代码可以见附件。见nio.sample.filecopy包下面的例子)以下是参考数据：

–场景1：copy一个370m的文件

–场景2:三个线程同时拷贝，每个线程拷贝一个370m文件

 

场景	fileinputstream+ fileoutputstream	fileinputstream+ bufferedinputstream+ fileoutputstream	bytebuffer+ filechannel	mappedbytebuffer +filechannel
场景一时间 ( 毫秒)	25155	17500	19000	16500
场景二时间 ( 毫秒 )	69000	67031	74031	71016

 

5.nio.charset

字符编码解码:字节码本身只是一些数字，放到正确的上下文中被正确被解析。向bytebuffer中存放数据时需要考虑字符集的编码方式，读取展示bytebuffer数据时涉及对字符集解码。

java.nio.charset提供了编码解码一套解决方案。

以我们最常见的http请求为例，在请求的时候必须对请求进行正确的编码。在得到响应时必须对响应进行正确的解码。

以下代码向baidu发一次请求，并获取结果进行显示。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");
    // 创建gbk字符集
    private socketchannel channel;
    public void readhtmlcontent() {
        try {
            inetsocketaddress socketaddress = new inetsocketaddress(
            "www.baidu.com", 80);
            //step1:打开连接
            channel = socketchannel.open(socketaddress);
            //step2:发送请求，使用gbk编码
            channel.write(charset.encode("get " + "/ http/1.1" + "\r\n\r\n"));
            //step3:读取数据
            bytebuffer buffer = bytebuffer.allocate(1024);
            // 创建1024字节的缓冲
            while (channel.read(buffer) != -1) {
                buffer.flip();
                // flip方法在读缓冲区字节操作之前调用。
                system.out.println(charset.decode(buffer));
                // 使用charset.decode方法将字节转换为字符串
                buffer.clear();
                // 清空缓冲
            }
        }
        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

关于非阻塞io将从何为阻塞、何为非阻塞、非阻塞原理和异步核心api几个方面来理解。

何为阻塞？

一个常见的网络io通讯流程如下:

从该网络通讯过程来理解一下何为阻塞:

在以上过程中若连接还没到来，那么accept会阻塞,程序运行到这里不得不挂起，cpu转而执行其他线程。

在以上过程中若数据还没准备好，read会一样也会阻塞。

阻塞式网络io的特点：多线程处理多个连接。每个线程拥有自己的栈空间并且占用一些cpu时间。每个线程遇到外部为准备好的时候，都会阻塞掉。阻塞的结果就是会带来大量的进程上下文切换。且大部分进程上下文切换可能是无意义的。比如假设一个线程监听一个端口，一天只会有几次请求进来，但是该cpu不得不为该线程不断做上下文切换尝试，大部分的切换以阻塞告终。

何为非阻塞？

下面有个隐喻：

一辆从a开往b的公共汽车上，路上有很多点可能会有人下车。司机不知道哪些点会有哪些人会下车，对于需要下车的人，如何处理更好？

1.司机过程中定时询问每个乘客是否到达目的地，若有人说到了，那么司机停车，乘客下车。(类似阻塞式)

2.每个人告诉售票员自己的目的地，然后睡觉，司机只和售票员交互，到了某个点由售票员通知乘客下车。(类似非阻塞)

很显然，每个人要到达某个目的地可以认为是一个线程，司机可以认为是cpu。在阻塞式里面，每个线程需要不断的轮询，上下文切换，以达到找到目的地的结果。而在非阻塞方式里，每个乘客(线程)都在睡觉(休眠)，只在真正外部环境准备好了才唤醒，这样的唤醒肯定不会阻塞。

非阻塞的原理

把整个过程切换成小的任务，通过任务间协作完成。

由一个专门的线程来处理所有的io事件，并负责分发。

事件驱动机制：事件到的时候触发，而不是同步的去监视事件。

线程通讯：线程之间通过wait,notify等方式通讯。保证每次上下文切换都是有意义的。减少无谓的进程切换。

以下是异步io的结构：

reactor就是上面隐喻的售票员角色。每个线程的处理流程大概都是读取数据、解码、计算处理、编码、发送响应。

异步io核心api

selector

异步io的核心类，它能检测一个或多个通道(channel)上的事件，并将事件分发出去。

使用一个select线程就能监听多个通道上的事件，并基于事件驱动触发相应的响应。而不需要为每个channel去分配一个线程。

selectionkey

包含了事件的状态信息和时间对应的通道的绑定。

总结

以上就是本文关于java基础知识杂文的全部内容，希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站其他相关专题，如有不足之处，欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持！

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