I/O 的重要性
I/O操作比在内存中处理数据所需时间更长，即CPU处理速度远远大于I/O等待时间
Java I/O的重要性
多数 Java 应用程序已不 再受 CPU 的束缚（把大量时间用在执行代码上）， 而更多时候是受 I/O 的束缚（等待数据传输）
NIO出现的意义
Java I/O的缺点
- 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；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。
- JVM 的 I/O 类喜欢操作小块数据——单个字节、几行文本。
- 操作系统送来整缓冲区的数据，java.io 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。
NIO
NIO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）。
使用场景
如果代码大部分时间都处于 I/O 等待状态，那么，该考虑一下提升 I/O 效 率的问题了
I/O概念
1. 缓冲区操作
- 输入/输出指的就是把数据移进或移出缓冲区
- 进程执行I/O操作，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)。
图1
1.1 用户空间和内核空间
用户空间
- 用户空间是常规进程所在区域。JVM就是常规进程，驻守于用户空间。
- 用户空间是非特权区域，该区域执行的代码不能直接访问硬件设备。
内核空间
- 内核空间是操作系统所在区域。
- 内核代码有特别的权力，它能与设备控制器通讯，控制着用户区域进程的运行状态等
- 所有I/O 都直接或间接通过内核空间
1.2 I/O操作
- 当进程请求 I/O 操作的时候，它执行一个系统调用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。
-
看了图 1，您可能会觉得，把数据从内核空间拷贝到用户空间似乎有些多余。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。
-
许多操作系统能把组装／分解过程进行得更加高效。
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
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。
1.3 虚拟内存
所有现代操作系统都使用虚拟内存。虚拟内存意为使用虚假（或虚拟）地址取代物理（硬件 RAM）内存地址。
- 虚拟内存的好处
- 一个以上的虚拟地址可指向同一个物理内存地址。
- 虚拟内存空间可大于实际可用的硬件内存。
- 把内核空间地址与用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，这样， DMA 硬件（只能访问物理内存地址）就可以填充对内核与用户空间进程同时可见的缓冲区。
内存空间多重映射
1.4 文件I/O
文件系统是更高层次的抽象，是安排、解释磁盘（或其他随机存取块设备）数据的一种独特方 式。
文件系统把一连串大小一致的数据块组织到一起。有些块存储元信息，如空闲块、目录、索引 等的映射，有些包含文件数据。单个文件的元信息描述了哪些块包含文件数据、数据在哪里结束、 最后一次更新是什么时候，等等。
当用户进程请求读取文件数据时，文件系统需要确定数据具体在磁盘什么位置，然后着手把相 关磁盘扇区读进内存。 老式的操作系统往往直接向磁盘驱动器发布命令， 要求其读取所需磁盘扇 区。而采用分页技术的现代操作系统则利用请求页面调度取得所需数据。
1.4.1 内存映射文件
-
背景
传统的文件 I/O 是通过用户进程发布 read( )和 write( )系统调用来传输数据的。为了在内核空间 的文件系统页与用户空间的内存区之间移动数据，一次以上的拷贝操作几乎总是免不了的。这是因 为，在文件系统页与用户缓冲区之间往往没有一一对应关系。 -
内存映射I/O
还有一种大多数操作系统都支 持的特殊类型的 I/O 操作，允许用户进程最大限度地利用面向页的系统 I/O 特性，并完全摒弃缓冲区拷贝。这就是内存映射 I/O
内存映射 I/O 使用文件系统建立从用户空间直到可用文件系统页的虚拟内存映射。
- 内存映射I/O的好处
- 用户进程把文件数据当作内存，所以无需发布 read( )或 write( )系统调用。
- 当用户进程碰触到映射内存空间，页错误会自动产生，从而将文件数据从磁盘读进内
存。如果用户修改了映射内存空间，相关页会自动标记为脏，随后刷新到磁盘，文件得到更新。 - 操作系统的虚拟内存子系统会对页进行智能高速缓存，自动根据系统负载进行内存管 理。
- 数据总是按页对齐的，无需执行缓冲区拷贝。
- 大型文件使用映射，无需耗费大量内存，即可进行数据拷贝。
虚拟内存和磁盘 I/O 是紧密关联的，从很多方面看来，它们只是同一件事物的两面。在处理大 量数据时，尤其要记得这一点。如果数据缓冲区是按页对齐的，且大小是内建页大小的倍数，那 么，对大多数操作系统而言，其处理效率会大幅提升。
1.4.2 文件锁定
文件锁定机制允许一个进程阻止其他进程存取某文件，或限制其存取方式。
通常的用途是控制 共享信息的更新方式，或用于事务隔离。在控制多个实体并行访问共同资源方面，文件锁定是必不可少的。数据库等复杂应用严重信赖于文件锁定。
“文件锁定”从字面上看有锁定整个文件的意思（通常的确是那样），但锁定往往可以发生在更 为细微的层面，锁定区域往往可以细致到单个字节。锁定与特定文件相关，开始于文件的某个特定 字节地址，包含特定数量的连续字节。这对于协调多个进程互不影响地访问文件不同区域，是至关 重要的。
- 文件锁定有两种方式
- 共享的。 多个共享锁可同时对同一文件区域发生作用
- 独占的。 独占锁它要求相关区域不能有其他锁定在起作用。
- 共享锁和独占锁的经典应用
控制最初用于读取的共享文件的更新。某个进程要读取文件， 会先取得该文件或该文件部分区域的共享锁。第二个希望读取相同文件区域的进程也会请求共享锁。两个进程可以并行读取，互不影响。但是， 假如有第三个进程要更新该文件，它会请求独占 锁。该进程会处于阻滞状态，直到既有锁定（共享的、独占的）全部解除。一旦给予独占锁，其他 共享锁的读取进程会处于阻滞状态，直到独占锁解除。这样，更新进程可以更改文件，而其他读取 进程不会因为文件的更改得到前后不一致的结果。
共享锁阻断独占锁请求
独占锁阻断共享锁请求
1.5 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。
网友评论