Java NIO學習系列六：Java中的IO模型
前文中我們總結了linux系統中的5中IO模型，並且著重介紹了其中的4種IO模型：
- 阻塞I/O(blocking IO)
- 非阻塞I/O(nonblocking IO)
- I/O多路複用(IO multiplexing)
- 非同步I/O(asynchronous IO)
但是前面總結的IO模型只是限定在linux下，更偏向於作業系統底層的概念，並沒有涉及到Java應用層面，其實Java中也提供了和前面作業系統層面的IO模型相對應的概念，這是本文接下來要講的重點。
同樣本文會圍繞如下幾點進行展開：
I/O模型在Java中的對應
適用場景
Java中各種IO模型的使用方式
總結
1. I/O模型在Java中的對應
1.1 阻塞I/O
傳統Java IO提供的面向流的IO操作方式就屬於阻塞式的，呼叫其read()或write()方法的執行緒會阻塞，直到完成了資料的讀寫，在讀寫的過程中執行緒是什麼都做不了的。
1.2 非阻塞I/O
Java NIO類庫提供了多種支援非阻塞模式的類，比如Channel、Buffer，可以將其設定為非阻塞模式，執行緒向channel請求讀資料時，只會獲取已經就緒的資料，並不會阻塞以等待所有資料都準備好，這樣在資料準備的階段執行緒就能夠去處理別的事情，這就是非阻塞式讀，對於寫資料是一樣的。
這裡和上面阻塞的區別就是，呼叫read()或write()方法並不阻塞，而是會立即返回，但是這時候IO操作往往是還沒有結束的。
1.3 多路複用
Java NIO中的Selector允許單個執行緒監控多個channel，可以將多個channel註冊到一個Selector中，然後可以"select"出已經準備好資料的channel，或者準備好寫入的channel，然後對其進行讀或者寫資料，這就是多路複用。
1.4 非同步IO
非同步IO模型是比較理想的IO模型，在非同步IO模型中，當用戶執行緒發起read操作之後，立刻就可以開始去做其它的事。另一方面，核心會等待資料準備完成，然後將資料複製到使用者執行緒，當這一切都完成之後，核心會給使用者執行緒傳送一個訊號，告訴它read操作完成了。也就是說使用者執行緒完全不需要關心實際的整個IO操作了，只需要發起請求就行了，當收到核心的成功訊號時就可以直接去使用資料了。這就是和非阻塞式的區別，如果說阻塞式IO是完全手動，非阻塞式IO就是半自動，而非同步IO就是全自動，多路複用呢？我覺得可以是半自動衝鋒槍^_^
在Java 7中，提供了Asynchronous IO，Java NIO中的AsynchronousFileChannel支援非同步模型實現的。
2. 適用場景
BIO方式適用於連線數目比較小且每個連線佔用大量寬頻，這種方式對伺服器資源要求比較高，JDK1.4以前的唯一選擇，但程式直觀簡單易理解。
NIO方式適用於連線數目多且連線比較短（輕操作）的架構，比如聊天伺服器，程式設計比較複雜，JDK1.4開始支援。
AIO方式適用於連線數目多且連線比較長（重操作）的架構，比如相簿伺服器，充分呼叫OS參與併發操作，程式設計比較複雜，JDK7開始支援。
3. Java中各種IO模型的使用方式
前面講了這麼多，即講了linux下的IO模型，又講了Java中對這些IO模型的支援，到這裡我覺得是時候找一些Java中實際的例子看看，下面就分別用三種IO模型來讀寫檔案。
3.1 通過BIO方式讀寫檔案
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();
}
}
}
}
在根目錄下準備好檔案test.txt，裡面寫上準備好的內容，比如"黃沙百戰穿金甲，不破樓蘭終不還"，然後跑起來，之後應該會多出一個檔案testBIO.txt，裡面內容是一樣的。我們通過BIO的方式讀取test.txt中的內容，同樣以BIO的方式寫入到testBIO.txt中。
3.2 通過NIO讀寫檔案
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()) {
// 寫入檔案
writeChannel.write(buffer);
}
// 一次寫完之後
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();
}
}
}
}
這裡是通過NIO中的FileChannel來讀寫檔案，但是要注意，雖然這一節的標題是說用NIO的方式來讀寫檔案，但是FileChannel並不支援非阻塞模式，所以其實際上還是屬於阻塞的，即BIO的方式，只是因為這裡為了統一演示讀寫檔案的例子，所以仍然使用NIO中的FileChannel類來完成。
3.3 通過AIO方式讀寫檔案
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();
}
}
這個例子中是通過非同步地方式來讀寫檔案。當呼叫了Java NIO中的AsynchronousFileChannel對這種操作提供了支援，當呼叫其read()方法時會立即返回一個Future物件，通過呼叫其isDone方法來得知資料是否讀取完畢。
4. 總結
本文結合前文講到的IO模型，分別對應到Java中的具體類庫實現，並通過例子演示了BIO、NIO、AIO三種方式讀寫檔案。
- 標準Java IO提供的面向流的方式屬於BIO模型的實現，在讀取的過程中是會阻塞的；
- Java NIO提供的Channel和Buffer是支援NIO模式的，呼叫了Channel的讀寫方法之後可以立即返回，在往Buffer中準備資料的過程中是不阻塞的，執行緒可以做別的事情，但是從Buffer讀寫資料是阻塞的；
- Java NIO中提供的AsynchronousFileChannel支援非同步讀寫檔案，當呼叫了其讀寫方法之後可以立即返回，只需要等待系統把資料複製到指定位置即可，整個過程都不會阻塞；
參考文獻
bio-vs-nio-vs-aio
linu