淺談Java中IO和NIO的本質(zhì)和區(qū)別
IO的本質(zhì)
IO的作用就是從外部系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)到j(luò)ava程序中，或者把java程序中輸出的數(shù)據(jù)寫回到外部系統(tǒng)。這里的外部系統(tǒng)可能是磁盤，網(wǎng)絡(luò)流等等。
因?yàn)閷λ械耐獠繑?shù)據(jù)的處理都是由操作系統(tǒng)內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)的，對于java應(yīng)用程序來說，只是調(diào)用操作系統(tǒng)中相應(yīng)的接口方法，從而和外部數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。
所有IO的本質(zhì)就是對Buffer的處理，我們把數(shù)據(jù)放入Buffer供系統(tǒng)寫入外部數(shù)據(jù)，或者從系統(tǒng)Buffer中讀取從外部系統(tǒng)中讀取的數(shù)據(jù)。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(tǒng)空間也有一個buffer。所以會出現(xiàn)系統(tǒng)空間緩存數(shù)據(jù)的情況，這種情況下系統(tǒng)空間將會直接返回Buffer中的數(shù)據(jù)，提升讀取速度。
DMA和虛擬地址空間
在繼續(xù)講解之前，我們先講解兩個操作系統(tǒng)中的基本概念，方便后面我們對IO的理解。
現(xiàn)代操作系統(tǒng)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(nèi)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(jìn)行IO操作，那么所有的CPU時間都會被占用，CPU沒法去響應(yīng)其他的任務(wù)，只能等待IO執(zhí)行完成。這在現(xiàn)代應(yīng)用程序中是無法想象的。
如果使用DMA，則CPU可以把IO操作轉(zhuǎn)交給其他的操作系統(tǒng)組件，比如數(shù)據(jù)管理器來操作，只有當(dāng)數(shù)據(jù)管理器操作完畢之后，才會通知CPU該IO操作完成?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)基本上都實(shí)現(xiàn)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(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)引入了虛擬地址空間的概念。簡單點(diǎn)講可以看做是跟實(shí)際物理地址的映射，通過使用分段或者分頁的技術(shù)，將實(shí)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(tǒng)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(tǒng)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(nèi)存空間大的問題，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)一般都是用了分頁技術(shù)。
分頁技術(shù)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(nèi)存的映射，這樣物理內(nèi)存實(shí)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(shù)據(jù)是存儲在disk中，而disk是由filesystem來進(jìn)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(nèi)容。
filesystem通過把數(shù)據(jù)劃分成為一個個的data blocks來進(jìn)行管理。有些blocks存儲著文件的元數(shù)據(jù)，有些block存儲著真正的數(shù)據(jù)。
最后filesystem在處理數(shù)據(jù)的過程中，也進(jìn)行了分頁。filesystem的分頁大小可以跟內(nèi)存分頁的大小一致，或者是它的倍數(shù)，比如 2,048 或者 8,192 bytes等。
并不是所有的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是序列被消費(fèi)的。
IO和NIO的區(qū)別
java1.0中的IO是流式IO，它只能一個字節(jié)一個字節(jié)的處理數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)的。
Stream IO中，input輸入一個字節(jié)，output就輸出一個字節(jié)，因?yàn)槭荢tream，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(shù)據(jù)只能處理一次，你不能在Stream中回退數(shù)據(jù)。
在Block IO中，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。但是你需要自己處理buffer，所以復(fù)雜程度要比Stream IO高。
一般來說Stream IO是阻塞型IO，當(dāng)線程進(jìn)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(jìn)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(zhí)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(yīng)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(guān)系：
DataInput也有三大類，分別是ObjectInput，InputStream和Reader。
看看他們的繼承關(guān)系：
ObjectOutput和ObjectInput類比較少，這里就不列出來了。
統(tǒng)計(jì)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(fù)雜一點(diǎn)，首先，為了處理block的信息，需要將數(shù)據(jù)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(zhǔn)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(shù)據(jù)的通道：
NIO需要掌握的類的個數(shù)比IO要稍稍多一點(diǎn)，畢竟NIO要復(fù)雜一點(diǎn)。
以上就是淺談Java中IO和NIO的本質(zhì)和區(qū)別的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java中IO和NIO的本質(zhì)和區(qū)別的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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