Java NIO学习系列六：Java中的IO模型

　　前文中我们总结了linux系统中的5中IO模型，并且着重介绍了其中的4种IO模型：

• 阻塞I/O(blocking IO)
• 非阻塞I/O(nonblocking IO)
• I/O多路复用(IO multiplexing)
• 异步I/O(asynchronous IO)

　　但是前面总结的IO模型只是限定在linux下，更偏向于操作系统底层的概念，并没有涉及到Java应用层面，其实Java中也提供了和前面操作系统层面的IO模型相对应的概念，这是本文接下来要讲的重点。

　　同样本文会围绕如下几点进行展开：

　　I/O模型在Java中的对应

　　适用场景

　　Java中各种IO模型的使用方式

　　总结

1. I/O模型在Java中的对应

1.1 阻塞I/O

　　传统Java IO提供的面向流的IO操作方式就属于阻塞式的，调用其read()或write()方法的线程会阻塞，直到完成了数据的读写，在读写的过程中线程是什么都做不了的。

1.2 非阻塞I/O

　　Java NIO类库提供了多种支持非阻塞模式的类，比如Channel、Buffer，可以将其设置为非阻塞模式，线程向channel请求读数据时，只会获取已经就绪的数据，并不会阻塞以等待所有数据都准备好，这样在数据准备的阶段线程就能够去处理别的事情，这就是非阻塞式读，对于写数据是一样的。

　　这里和上面阻塞的区别就是，调用read()或write()方法并不阻塞，而是会立即返回，但是这时候IO操作往往是还没有结束的。

1.3 多路复用

　　Java NIO中的Selector允许单个线程监控多个channel，可以将多个channel注册到一个Selector中，然后可以"select"出已经准备好数据的channel，或者准备好写入的channel，然后对其进行读或者写数据，这就是多路复用。

1.4 异步IO

 　　异步IO模型是比较理想的IO模型，在异步IO模型中，当用户线程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。另一方面，内核会等待数据准备完成，然后将数据复制到用户线程，当这一切都完成之后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它read操作完成了。也就是说用户线程完全不需要关心实际的整个IO操作了，只需要发起请求就行了，当收到内核的成功信号时就可以直接去使用数据了。这就是和非阻塞式的区别，如果说阻塞式IO是完全手动，非阻塞式IO就是半自动，而异步IO就是全自动，多路复用呢？我觉得可以是半自动冲锋枪^_^

　　在Java 7中，提供了Asynchronous IO，Java NIO中的AsynchronousFileChannel支持异步模型实现的。

2. 适用场景

　　BIO方式适用于连接数目比较小且每个连接占用大量宽带，这种方式对服务器资源要求比较高，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。

　　NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，编程比较复杂，JDK1.4开始支持。

　　AIO方式适用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。

3. Java中各种IO模型的使用方式

　　前面讲了这么多，即讲了linux下的IO模型，又讲了Java中对这些IO模型的支持，到这里我觉得是时候找一些Java中实际的例子看看，下面就分别用三种IO模型来读写文件。

3.1 通过BIO方式读写文件

  public void rwByBIO() {
    BufferedReader br = null;
    FileInputStream in = null;
    FileOutputStream out = null;
    try {
      in = new FileInputStream("test.txt");
      out = new FileOutputStream("testBIO.txt");
      List<Integer> list = new ArrayList();
      int temp;
      while((temp = in.read()) != -1) {
        out.write(temp);
      }
      br = new BufferedReader(new InputStreamReader(new FileInputStream("testBIO.txt")));
      System.out.println(br.readLine());
    }catch(Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }finally {
      if(br != null) {
        try {
          br.close();
        }catch(IOException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
      if(out != null) {
        try {
          out.close();
        }catch(IOException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }
  }

　　在根目录下准备好文件test.txt，里面写上准备好的内容，比如"黄沙百战穿金甲，不破楼兰终不还"，然后跑起来，之后应该会多出一个文件testBIO.txt，里面内容是一样的。我们通过BIO的方式读取test.txt中的内容，同样以BIO的方式写入到testBIO.txt中。

3.2 通过NIO读写文件

  public void rwByNIO() {
    FileChannel readChannel = null;
    FileChannel writeChannel = null;
    try {
      readChannel = new RandomAccessFile(new File("test.txt"),"r").getChannel();
      writeChannel = new RandomAccessFile(new File("testNIO.txt"),"rw").getChannel();
      ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
      int bytesRead = readChannel.read(buffer);
      while(bytesRead != -1) {
        buffer.flip();
        while(buffer.hasRemaining()) {
          // 写入文件
          writeChannel.write(buffer);
        }
        // 一次写完之后
        buffer.clear();
        bytesRead = readChannel.read(buffer);
      }
    }catch(Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }finally {
      if(readChannel != null) {
        try {
          readChannel.close();
        } catch (IOException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
      if(writeChannel != null) {
        try {
          writeChannel.close();
        } catch (IOException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }
    }
  }

　　这里是通过NIO中的FileChannel来读写文件，但是要注意，虽然这一节的标题是说用NIO的方式来读写文件，但是FileChannel并不支持非阻塞模式，所以其实际上还是属于阻塞的，即BIO的方式，只是因为这里为了统一演示读写文件的例子，所以仍然使用NIO中的FileChannel类来完成。

3.3 通过AIO方式读写文件

    public void rwByAIO() {
        Path path = Paths.get("test.txt");
        AsynchronousFileChannel fileChannel = null;
        try {
            fileChannel = AsynchronousFileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ);
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            long position = 0;
            Future<Integer> operation = fileChannel.read(buffer, position);
            while(!operation.isDone());
            buffer.flip();
            Path writePath = Paths.get("testAIO.txt");
            if(!Files.exists(writePath)){
                Files.createFile(writePath);
            }
            AsynchronousFileChannel writeFileChannel = AsynchronousFileChannel.open(writePath, StandardOpenOption.WRITE);

            writeFileChannel.write(buffer, position, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {

                @Override
                public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                    System.out.println("bytes written: " + result);
                }

                @Override
                public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
                    System.out.println("Write failed");
                    exc.printStackTrace();
                }
            });
          
        }catch(Exception e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }

　　这个例子中是通过异步地方式来读写文件。当调用了Java NIO中的AsynchronousFileChannel对这种操作提供了支持，当调用其read()方法时会立即返回一个Future对象，通过调用其isDone方法来得知数据是否读取完毕。

4. 总结

　　本文结合前文讲到的IO模型，分别对应到Java中的具体类库实现，并通过例子演示了BIO、NIO、AIO三种方式读写文件。

• 标准Java IO提供的面向流的方式属于BIO模型的实现，在读取的过程中是会阻塞的；
• Java NIO提供的Channel和Buffer是支持NIO模式的，调用了Channel的读写方法之后可以立即返回，在往Buffer中准备数据的过程中是不阻塞的，线程可以做别的事情，但是从Buffer读写数据是阻塞的；
• Java NIO中提供的AsynchronousFileChannel支持异步读写文件，当调用了其读写方法之后可以立即返回，只需要等待系统把数据复制到指定位置即可，整个过程都不会阻塞；

参考文献

bio-vs-nio-vs-aio

linux-io