深入分析的工作機(jī)制VIP

1、Java 的 I/O 類庫的基本架構(gòu)I/O 問題是任何編程語言都無法回避的問題，可以說 I/O 問題是整個(gè)人機(jī)交互的問題，因?yàn)?I/O 是獲取和交換信息的主要。在這個(gè)數(shù)據(jù)大，I/O 問題尤其突出，很容易成為一個(gè)性能瓶頸。正因如此，所以 Java在 I/O 上也一直在做持續(xù)的優(yōu)化，如從 1.4 開始引入了 NIO，提升了 I/O 的性能。關(guān)于 NIO在后面詳細(xì)介紹。Java 的 I/O 操作類在包 java.io 下，大概有將近 80 個(gè)類，但是這些類大概可以分成四組，分別是：.基于字節(jié)操作的基于字符操作的基于磁盤操作的基于網(wǎng)絡(luò)操作的I/O I/O I/O I/O接口：InputS

2、tream 和 OutputStream接口：Writer 和 Reader接口：File 接口：Socket前兩組主要是根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式，后兩組主要是根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的方式，雖然 Socket 類并不在 java.io 包下，但是我仍然把它們劃分在一起，因?yàn)槲覀€(gè)人認(rèn)為 I/O 的問題要么是數(shù)據(jù)格式影響 I/O 操作，要么是傳輸方式影響I/O 操作，也就是將什么樣的數(shù)據(jù)寫到什么地方的問題，I/O 只是人與或者與交互的，除了在它們能夠完成這個(gè)交互功能外，我們關(guān)注的就是如何提高它的運(yùn)行效率了，而數(shù)據(jù)格式和傳輸方式是影響效率最關(guān) 鍵的因素了。我們后面的分析也是基于這兩個(gè)因素來展開的。基于字節(jié)的 I

3、/O 操作接口基于字節(jié)的 I/O 操作接口輸入和輸出分別是：InputStream 和 OutputStream， InputStream 輸入流的類繼承層次如下圖所示：圖 1. InputStream 相關(guān)類層次結(jié)構(gòu)（查看大圖）輸入流根據(jù)數(shù)據(jù)類型和操作方式又被劃分成若干個(gè)子類，每個(gè)子類分別處理不同操作類型，OutputStream 輸出流的類層次結(jié)構(gòu)也是類似，如下圖所示：圖 2. OutputStream 相關(guān)類層次結(jié)構(gòu)（查看大圖）這里就不詳細(xì)解釋每個(gè)子類如何使用了，如果不清楚的話可以參考一下 JDK 的API 說明文檔，這里只想說明兩點(diǎn)，一個(gè)是操作數(shù)據(jù)的方式是可以組合使用的， 如這樣組合使

4、用OutputStream out = new BufferedOutputStream(new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("fileName")；還 有一點(diǎn)是流最終寫到什么地方必須要指定，要么是寫到磁盤要么是寫到網(wǎng)絡(luò)中，其實(shí)從上面的類圖中我們發(fā)現(xiàn)，寫網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上也是寫文件，只不過寫網(wǎng)絡(luò)還需 要處理就是底層操作系統(tǒng)再將數(shù)據(jù)傳送到其它地方而不是本地磁盤。關(guān)于網(wǎng)絡(luò) I/O 和磁盤 I/O在后面詳細(xì)介紹?；谧址?I/O 操作接口不磁盤還是網(wǎng)絡(luò)傳輸，最小的單元都是字節(jié)，而不是字符，所以 I/O 操作的都是字節(jié)而不是字符，但是為

5、啥有操作字符的 I/O 接口呢？這是因?yàn)槲覀兊耐ǔ２僮鞯臄?shù)據(jù)都是以字符形式，為了操作方然要提供一個(gè)直接寫字符的 I/O 接口，如此而已。我們知道字符到字節(jié)必須要經(jīng)過編碼轉(zhuǎn)換，而這個(gè)編碼又非常耗時(shí)，而且還會經(jīng)常出現(xiàn)亂碼問題，所以 I/O 的編碼問題經(jīng)常是讓人頭疼的問題。關(guān)于 I/O 編碼問題請參考另一篇文章 深入分析 Java 中的中文編碼問題。下圖是寫字符的 I/O 操作接口涉及到的類，Writer 類提供了一個(gè)抽象方法write(char cbuf, int off, int len) 由子類去實(shí)現(xiàn)。圖 3. Writer 相關(guān)類層次結(jié)構(gòu)（查看大圖）讀字符的操作接口也有類似的類結(jié)構(gòu)，如下圖所

6、示：圖 4.Reader 類層次結(jié)構(gòu)（查看大圖）讀 字符的操作接口中也是 int read(char cbuf, int off, int len)，返回讀到的 n 個(gè)字節(jié)數(shù)，不Writer 還是 Reader 類它們都只定義了或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)字符的方式，也就是怎么寫或讀，但是并沒有規(guī)定數(shù)據(jù)要寫到哪去，寫到哪去就是我們后面要討論的基于磁盤和網(wǎng)絡(luò)的工作機(jī) 制。字節(jié)與字符的轉(zhuǎn)化接口另外數(shù)據(jù)持久化或網(wǎng)絡(luò)傳輸都是以字節(jié)進(jìn)行的，所以必須要有字符到字節(jié)或字節(jié)到字符的轉(zhuǎn)化。字符到字節(jié)需要轉(zhuǎn)化，其中讀的轉(zhuǎn)化過程如下圖所示：圖 5. 字符相關(guān)類結(jié)構(gòu)InputStreamReader 類是字節(jié)到字符的轉(zhuǎn)化橋梁，Inp

7、utStream 到 Reader 的過程要指定編碼字符集，否則將采用操作系統(tǒng)默認(rèn)字符集，很可能會出現(xiàn)亂碼問題。StreamDecoder 正是完成字節(jié)到字符的的實(shí)現(xiàn)類。也就是當(dāng)你用如下方式讀取一個(gè)文件時(shí)：1.文件try StringBuffer char buf = FileReader fstr = new StringBuffer(); new char1024;= new FileReader("file");while(f.read(buf)>0) str.append(buf);str.toString(); catch (IOException e) F

8、ileReader 類就是按照上面的工作方式文件的，F(xiàn)ileReader 是繼承了InputStreamReader 類，實(shí)際上是文件流，然后通過 StreamDecoder成 char，只不過這里的字符集是默認(rèn)字符集。寫入也是類似的過程如下圖所示：圖 6. 字符編碼相關(guān)類結(jié)構(gòu)通過 OutputStreamWriter 類完成，字符到字節(jié)的編碼過程，由完成編碼過程。StreamEncoder回頁首磁盤 I/O 工作機(jī)制前面介紹了基本的 Java I/O 的操作接口，這些接口主要定義了如何操作數(shù)據(jù)， 以及介紹了操作兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：字節(jié)和字符的方式。還有一個(gè)關(guān)鍵問題就是數(shù)據(jù)寫到何處，其中一個(gè)主要方式

9、就是將數(shù)據(jù)持久化到物理磁盤，下面將介紹如何將數(shù)據(jù)持久化到物理磁盤的過程。我 們知道數(shù)據(jù)在磁盤的唯一最小描述就是文件，也就是說上層應(yīng)用程序只能通過文件來操作磁盤上的數(shù)據(jù)，文件也是操作系統(tǒng)和磁盤驅(qū)動器交互的一個(gè)最小單元。值得 注意的是 Java 中通常的 File 并不代表一個(gè)真實(shí)存在的文件對象， 當(dāng)你通過指定一個(gè)路徑描述符時(shí)，它就會返回一個(gè)代表這個(gè)路徑相關(guān)聯(lián)的一個(gè)虛擬對象，這個(gè)可能是一個(gè)真實(shí)存在的文件或者是 一個(gè)包含多個(gè)文件的目錄。為何要這樣設(shè)計(jì)？因?yàn)榇蟛糠智闆r下，我們并不關(guān)心這個(gè)文件是否真的存在，而是關(guān)心這個(gè)文件到底如何操作。例如我們里通常存了 幾百個(gè)朋友的號碼，但是我們通常關(guān)心的是我有沒有這

10、個(gè)朋友的號碼，或者這個(gè)號碼是什么，但是這個(gè)號碼到底能不能打通，我們并不是時(shí)時(shí)刻刻 都去檢查，而只有在真正要給他打看這個(gè)能不能用。也就是使用這個(gè)要比打這個(gè)的次數(shù)多很多。何時(shí)真正會要檢查一個(gè) 文件存不存？就是在真正要這個(gè)文件時(shí)，例如FileInputStream 類都是操作一個(gè)文件的接口，注意到在創(chuàng)建一個(gè)FileInputStream 對象時(shí)，會創(chuàng)建一個(gè) FileDescriptor 對象，其實(shí)這個(gè)對象就是真正代表一個(gè)存在的文件對象的描述，當(dāng)我們在操作一個(gè)文件對象時(shí)可以通過getFD() 方法獲取真正操作的與底層操作系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的文件描述。例如可以調(diào)用FileDescriptor.sync() 方法將

11、操作系統(tǒng)緩存中的數(shù)據(jù)強(qiáng)制刷新到物理磁盤中。下面以1的例，介紹下如何從磁盤一段文本字符。如下圖所示：圖 7.從磁盤文件當(dāng) 傳入一個(gè)文件路徑，將會根據(jù)這個(gè)路徑創(chuàng)建一個(gè)File 對象來標(biāo)識這個(gè)文件，然后將會根據(jù)這個(gè) File 對象創(chuàng)建真正文件的操作對象，這時(shí)將會真正創(chuàng)建一個(gè)關(guān)聯(lián)真實(shí)存在的磁盤文件的文件描述符 FileDescriptor，通過這個(gè)對象可以直接這個(gè)磁盤文件。由于我們需要的是字符格式，所以需要StreamDecoder 類將 byte為 char 格式，至于如何從磁盤驅(qū)動器上一段數(shù)據(jù)，由操作系統(tǒng)幫我們完成。至于操作系統(tǒng)是如何將數(shù)據(jù)持久化到磁盤以及如何建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要根據(jù)當(dāng)前操作系統(tǒng)使用

12、何種文件系統(tǒng)來回答，至于文件系統(tǒng)的相關(guān)以參考另外的文章?；仨撌譐ava Socket 的工作機(jī)制Socket 這個(gè)概念沒有對應(yīng)到一個(gè)具體的實(shí)體，它是描述計(jì)算機(jī)之間完成相互通信一種抽象功能。打個(gè)比方，可以把 Socket 比作為兩個(gè)城市之間的交通工具， 有了它，就可以在城市之間來回穿梭了。交通工具有多種，每種交通工具也有相應(yīng)的交通規(guī)則。Socket 也一樣，也有多種。大部分情況下我們使用的都是基于TCP/IP 的流套接字，它是一種穩(wěn)定的通信協(xié)議。下圖是典型的基于 Socket 的通信的場景：圖 8.Socket 通信示例主 機(jī) A 的應(yīng)用程序要能和主機(jī) B 的應(yīng)用程序通信，必須通過接，而建立 S

13、ocket 連接必須需要底層 TCP/IP 協(xié)議來建立 TCPSocket 建立連連接。建立 TCP連接需要底層 IP 協(xié)議來尋址網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)。我們知道網(wǎng)絡(luò)層使用的 IP 協(xié)議可以幫助我們根據(jù) IP 地址來找到目標(biāo)主機(jī)，但是一臺主機(jī)上可能運(yùn)行著多個(gè)應(yīng)用程序，如何才能與指定的應(yīng)用程序通信就要通過 TCP 或 UPD 的地址也就是端口號來指定。這樣就可以通過一個(gè) Socket 實(shí)例唯一代表一個(gè)主機(jī)上的一個(gè)應(yīng)用程序的通信鏈路了。建立通信鏈路當(dāng) 客戶端要與服務(wù)端通信，客戶端首先要創(chuàng)建一個(gè) Socket 實(shí)例，操作系統(tǒng)將為這個(gè) Socket 實(shí)例分配一個(gè)沒有被使用的本地端，并創(chuàng)建一個(gè)包含本地和地址和端的

14、套接字?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將一直保存在系統(tǒng)中直到這個(gè)連接關(guān)閉。在創(chuàng)建 Socket 實(shí)例的構(gòu)造函數(shù)正確返回之前，將要進(jìn)行 TCP 的三次握手協(xié)議，TCP 握手協(xié)議完成后，Socket 實(shí)例對象將創(chuàng)建完成，否則將拋出 IOException 錯(cuò)誤。與之對應(yīng)的服務(wù)端將創(chuàng)建一個(gè) ServerSocket 實(shí)例，ServerSocket 創(chuàng)建比較簡單只要指定的端沒有被占用，一般實(shí)例創(chuàng)建都會，同時(shí)操作系統(tǒng)也會為ServerSocket 實(shí)例創(chuàng)建一個(gè)底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含指定的端和包含地址的通配符，通常情況下都是“*”即所有地址。之后當(dāng)調(diào)用 accept() 方法時(shí)，將進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待客戶端

15、的請求。當(dāng)一個(gè)新的請求到來時(shí)，將為這個(gè)連接創(chuàng)建一個(gè)新的套接字?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該套接字?jǐn)?shù)據(jù)的信息包含的地址和端口信息正 是請求源地址和端口。這個(gè)新創(chuàng)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將會關(guān)聯(lián)到ServerSocket 實(shí)例的一個(gè)未完成的連接數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)列表中，注意這時(shí)服務(wù)端與之對應(yīng)的 Socket 實(shí)例并沒有完成創(chuàng)建，而要等到與客戶端的三次握手完成后，這個(gè)服務(wù)端的 Socket 實(shí)例才會返回，并將這個(gè) Socket 實(shí)例對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從未完成列表中移到已完成列表中。所以 ServerSocket 所關(guān)聯(lián)的列表中每個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，都代表與一個(gè)客戶端的建立的 TCP 連接。數(shù)據(jù)傳輸傳輸數(shù)據(jù)是我們建立連接的主要目的，如何通過 Socke

16、t 傳輸數(shù)據(jù)，下面將詳細(xì)介紹。當(dāng) 連接已經(jīng)建立，服務(wù)端和客戶端都會擁有一個(gè) Socket 實(shí)例，每個(gè)Socket 實(shí)例一個(gè) InputStream 和 OutputStream，正是通過這兩個(gè)對象來交換數(shù)據(jù)。同時(shí)我們也知道網(wǎng)絡(luò) I/O 都是以字節(jié)流傳輸?shù)?。?dāng) Socket 對象創(chuàng)建時(shí)，操作系統(tǒng)將會為 InputStream 和 OutputStream 分別分配一定大小的緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)的寫入和都是通過這個(gè)緩存區(qū)完成的。寫入端將數(shù)據(jù)寫到OutputStream 對應(yīng)的 SendQ 隊(duì)列中，當(dāng)隊(duì)列填滿時(shí)，數(shù)據(jù)將被到另一端InputStream 的 RecvQ 隊(duì)列中，如果這時(shí) RecvQ 已經(jīng)滿了，

17、那么 OutputStream的 write 方法將會阻塞直到 RecvQ 隊(duì)列有足夠的空間容納 SendQ的數(shù)據(jù)。值得特別注意的是，這個(gè)緩存區(qū)的大小以及寫入端的速度和 端的速度非常影響這個(gè)連接的數(shù)據(jù)傳輸效率，由于可能會發(fā)生阻塞，所以網(wǎng)絡(luò) I/O 與磁盤 I/O 在數(shù)據(jù)的寫入和 還要有一個(gè)協(xié)調(diào)的過程，如果兩邊同時(shí)傳送數(shù)據(jù)時(shí)可能會產(chǎn)生死鎖，在后面 NIO 部分將介紹避免這種情況。回頁首NIO 的工作方式BIO 帶來的BIO 即阻塞 I/O，不者從 InputStream磁盤 I/O 還是網(wǎng)絡(luò) I/O，數(shù)據(jù)在寫入 OutputStream 或時(shí)可能會阻塞。一旦有線程阻塞將會失去 CPU 的使量和有

18、性能要求情況下是不能接受的。雖然當(dāng)前的用權(quán)，這在當(dāng)前的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò) I/O 有一些解決辦法，如一個(gè)客戶端一個(gè)處理線程，出現(xiàn)阻塞時(shí)只是一個(gè)線程阻塞而影響其它線程工作，還有為了減少系統(tǒng)線程的開銷，采用線程池的辦法來減少線 程創(chuàng)建和回收的成本，但是有一些使用場景仍然是無法解決的。如當(dāng)前一些需要大量 HTTP 長連接的情況，像淘寶現(xiàn)在使用的 Web項(xiàng)目，服務(wù)端需要同時(shí)保持幾百萬的 HTTP 連接，但是并不是每時(shí)每刻這些連接都在傳輸數(shù)據(jù)，這種情況下不可能同時(shí)創(chuàng)建這么多線程來保持連接。即使線程的數(shù)量不是問題，仍然有一些問題還是無法避免 的。如這種情況，我們想給某些客戶端更高的服務(wù)優(yōu)先級，很難通過設(shè)計(jì)線程的優(yōu)

19、先級來完成，另外一種情況是，我們需要讓每個(gè)客戶端的請求在服務(wù)端可能需要一些競爭，由于這些客戶端是在不同線程中，因此需要同步，而往往要實(shí)現(xiàn)這些同步操作要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比用單線程復(fù)雜很多。以上這些情況都說明，我們需要另外一種新的I/O操作方式。NIO 的工作機(jī)制我們先看一下 NIO涉及到的關(guān)聯(lián)類圖，如下：圖 9.NIO相關(guān)類圖上 圖中有兩個(gè)：Channel 和 Selector，它們是NIO 中兩個(gè)概念。我們還用前面的城市交通工具來繼續(xù)比喻 NIO 的工作方式，這里的 Channel 要比 Socket 更加具體，它可以比作為某種具體的交通工具，如汽車或是高鐵等， 而 Selector 可以比作為一個(gè)車站的

20、車輛運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)，它將負(fù)責(zé)每輛車的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)：是已經(jīng)出戰(zhàn)還是在路，也就是它可以輪詢每個(gè) Channel 的狀態(tài)。這里還有一個(gè) Buffer 類，它也比 Stream 更加具體化，我們可以將它比作為車上的座位，Channel 是汽車的話就是汽車上的座位，就是的座位，它始終是一個(gè)具體的概念，與 Stream 不同。Stream 只能代表是一個(gè)座位，至于是什么座位由你去想象，也就是你在去上車之前并不知道，這個(gè)車上是否還有沒有座位了，也不知道上的是什么車，因?yàn)槟悴⒉荒苓x 擇，這些信息都已經(jīng)被封裝在了工具（Socket）里面了，對你是透明的。NIO 引入了Channel、Buffer 和 Select

21、or 就是想把這些信息具體化，讓程序員有機(jī)會它們，如：當(dāng)我們調(diào)用 write() 往 SendQ 寫數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)一次寫的數(shù)據(jù)超過 SendQ長度是需要按照 SendQ 的長度進(jìn)行分割，這個(gè)過程中需要有將用戶空間數(shù)據(jù)和內(nèi)核地址空間進(jìn)行切換，而這個(gè)切換不是你可以的。而在 Buffer 中我們可以Buffer 的 capacity，并且是否擴(kuò)容以及如何擴(kuò)容都可以。理解了這些概念后我們看一下，實(shí)際上它們是如何工作的，下面是典型的一段NIO 代碼：2. NIO 工作代碼示例public void selector() throws IOException ByteBuffer buffer = Selec

22、tor selector = ServerSocketChannelByteBuffer.allocate(1024); Selector.open();ssc = ServerSocketChannel.open();ssc.configureBlocking(false);/設(shè)置為非阻塞方式ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(8080); ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);/的事件while (true) Set selectedKeys = selector.selectedKeys(

23、);/取得所有 key集合Iterator it = selectedKeys.iterator(); while (it.hasNext() SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();if (key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT) = SelectionKey.OP_ACCEPT) ServerSocketChannel ssChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel sc = ssChannel.accept();/接受

24、到服務(wù)端的請求sc.configureBlocking(false); sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ); it.remove(); else if(key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ) = SelectionKey.OP_READ) SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); while (true) buffer.clear();int n = sc.read(buffer);/ if (n <= 0) 數(shù)據(jù)break;buff

25、er.flip();it.remove();調(diào)用 Selector 的靜態(tài)工廠創(chuàng)建一個(gè)選擇器，創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)端的 Channel 綁定到一個(gè) Socket 對象，并把這個(gè)通信信道 到選擇器上，把這個(gè)通信信道設(shè)置為非阻塞模式。然后就可以調(diào)用 Selector 的 selectedKeys 方法來檢查已經(jīng)注冊在這個(gè)選擇器上的所有通信信道是否有需要的 時(shí)，將會返回所有的 SelectionKey，通過這個(gè)對象發(fā)生，如果有某個(gè)發(fā)生Channel 方法就可以取得這的數(shù)據(jù)是 Buffer，這個(gè)個(gè)通信信道對象從而可以通信的數(shù)據(jù)，而這里Buffer 是我們可以的緩沖器。在上面的這段，是將 Server 端的連接

26、請求的和處理請求的放在一個(gè)線程中，但是在實(shí)際應(yīng)用中，我們通常會把它們放在兩個(gè)線程中，一個(gè)線程專門負(fù)責(zé)客戶端的連接請求，而 且是阻塞方式執(zhí)行的；另外一個(gè)線程專門來處理請求，這個(gè)專門處理請求的線程才會真正采用 NIO 的方式，像 Web 服務(wù)器 Tomcat 和 Jetty 都是這個(gè)處理方式，關(guān)于 Tomcat 和 Jetty 的 NIO 處理方式可以參考文章 Jetty 的工作原理和與 Tomcat 的比較。下圖是描述了基于 NIO 工作方式的 Socket 請求的處理過程：圖 10. 基于 NIO 的 Socket 請求的處理過程上 圖中的 Selector 可以同時(shí)前提是這個(gè) Selecto

27、r 要已經(jīng)用 select() 方法檢查已經(jīng)一組通信信道（Channel）上的 I/O 狀態(tài)， 到這些通信信道中。選擇器 Selector 可以調(diào)的通信信道上的是否有 I/O 已經(jīng)準(zhǔn)備好，如果沒有至少一個(gè)信道 I/O 狀態(tài)有變化，那么 select 方阻塞等待或在超時(shí)時(shí)間后會返回 0。上圖中如果有多個(gè)信道有數(shù)據(jù)，那么將會將這些數(shù)據(jù)分配到對應(yīng)的數(shù)據(jù) Buffer 中。所以關(guān)鍵的地方是有一個(gè)線程來處理所有連接的數(shù)據(jù)交互， 每個(gè)連接的數(shù)據(jù)交互都不是阻塞方式，所以可以同時(shí)處理大量的連接請求。Buffer 的工作方式上面介紹了 Selector 將檢測到有通信信道 I/O 有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過 selel

28、ct()取得 SocketChannel，將數(shù)據(jù)如何接受和寫出數(shù)據(jù)？或?qū)懭?Buffer 緩沖區(qū)。下面討論一下 BufferBuffer 可以簡單的理解為一組基本數(shù)據(jù)類型的元素列表，它通過幾個(gè)變量來保存這個(gè)數(shù)據(jù)的當(dāng)前位置狀態(tài)，也就是有四個(gè)索引。如下表所示：表 1.Buffer 中的參數(shù)項(xiàng)索引capacity緩沖區(qū)數(shù)組的總長度說明position下一個(gè)要操作的數(shù)據(jù)元素的位置limit mark緩沖區(qū)數(shù)組中不可操作的下一個(gè)元素的位置，limit<=capacity用于當(dāng)前 position 的前一個(gè)位置或者默認(rèn)是 0在實(shí)際操作數(shù)據(jù)時(shí)它們有如下關(guān)系圖：我們通過 ByteBuffer.alloc

29、ate(11) 方法創(chuàng)建一個(gè) 11 個(gè) byte 的數(shù)組緩沖區(qū)，初始狀態(tài)如上圖所示，position 的位置為 0，capacity 和 limit 默認(rèn)都是數(shù)組長度。當(dāng)我們寫入 5 個(gè)字節(jié)時(shí)位置變化如下圖所示：這時(shí)我們需要將緩沖區(qū)的 5 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)寫入 Channel 通信信道，所以我們需要調(diào)用byteBuffer.flip() 方法，數(shù)組的狀態(tài)又發(fā)生如下變化：這時(shí)底層操作系統(tǒng)就可以從緩沖區(qū)中正確這 5 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)出去了。在下一次寫數(shù)據(jù)之前我們在調(diào)一下 clear() 方法。緩沖區(qū)的索引狀態(tài)又回到初始位置。這里還要說明一下 mark，當(dāng)我們調(diào)用 mark() 時(shí)，它將當(dāng)前 position

30、的前一個(gè)位置，當(dāng)我們調(diào)用 reset 時(shí)，position 將恢復(fù) mark下來的值。還 有一點(diǎn)需要說明，通過 Channel 獲取的 I/O 數(shù)據(jù)首先要經(jīng)過操作系統(tǒng)的 Socket 緩沖區(qū)再將數(shù)據(jù)到 Buffer 中，這個(gè)的操作系統(tǒng)緩沖區(qū)就是底層的 TCP 協(xié)議關(guān)聯(lián)的 RecvQ 或者SendQ 隊(duì)列，從操作系統(tǒng)緩沖區(qū)到用戶緩沖區(qū)數(shù)據(jù)比較耗性能，Buffer 提供了另外一種直接操作操作系統(tǒng)緩沖區(qū)的的方式即 ByteBuffer.allocateDirector(size)，這個(gè)方法返回的byteBuffer 就是與底層操作方式類似?？臻g關(guān)聯(lián)的緩沖區(qū)，它的操作方式與 linux2.4 內(nèi)核的

31、sendfile回頁首I/O 調(diào)優(yōu)下面就磁盤 I/O 和網(wǎng)絡(luò) I/O 的一些常用的優(yōu)化技巧進(jìn)行總結(jié)如下：磁盤 I/O 優(yōu)化性能檢測我們的應(yīng)用程序通常都需要磁盤數(shù)據(jù)，而磁盤 I/O 通常都很耗時(shí)，我們要I/O 是否是一個(gè)瓶頸，我們有一些參數(shù)指標(biāo)可以參考：如 我們可以測試應(yīng)用程序看系統(tǒng)的 I/O wait 指標(biāo)是否正常，例如測試機(jī)器有 4 個(gè) CPU，那么理想的 I/O wait 參數(shù)不應(yīng)該超過 25%，如果超過 25% 的話，I/O 很可能成為應(yīng)用程序的性能瓶頸。Linux 操作系統(tǒng)下可以通過 iostat 命令查看。通常 我們在I/O 性能時(shí)還會看另外一個(gè)參數(shù)就是 IOPS，我們應(yīng)用程序需要最

32、低的 IOPS 是多少，而我們的磁盤的 IOPS 能不能達(dá)到我們的要求。每個(gè)磁盤的 IOPS 通常是在一個(gè)范圍內(nèi)，這和在磁盤的數(shù)據(jù)塊的大小和方式也有關(guān)。但是主要是由磁盤的轉(zhuǎn)速決定的，磁盤的轉(zhuǎn)速越高磁盤的 IOPS 也越高。現(xiàn) 在為了提高磁盤 I/O 的性能，通常采用一種叫 RAID 的技術(shù)，就是將不同的磁盤組合起來來提高 I/O 性能，目前有多種 RAID 技術(shù)，每種 RAID 技術(shù)對 I/O 性能提升會有不同，可以用一個(gè) RAID 因子來代表，磁盤的讀寫吞吐量可以通過iostat 命令來獲取，于是我們可以計(jì)算出一個(gè)理論的 IOPS 值，計(jì)算公式如下所以：( 磁盤數(shù) * 每塊磁盤的 IOPS)

33、/( 磁盤讀的吞吐量 +RAID 因子 * 磁盤寫的吞吐量 )=IOPS這個(gè)公式的詳細(xì)信息請查閱參考資料 Understanding Disk I/O。提升 I/O 性能提升磁盤 I/O 性能通常的方法有：1.2.增加緩存，減少磁盤次數(shù)優(yōu)化磁盤的管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)最優(yōu)的磁盤這里是在底層操作系統(tǒng)層面考慮的。策略，以及磁盤的尋址策略，3.設(shè)計(jì)合理的磁盤數(shù)據(jù)塊，以及這些數(shù)據(jù)塊的策略，這里是在應(yīng)用層面考慮的。如我們可以給存放的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)索引，通過尋址索引來加快和減少磁盤的應(yīng)用合理的所示：，還有可以采用異步和非阻塞的方式加快磁盤的效率。4.RAID 策略提升磁盤 IO，每種 RAID 的區(qū)別我們可以用下表表

34、2.RAID 策略磁盤陣列說明RAID 數(shù)據(jù)被平均寫到多個(gè)磁盤陣列中，寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)都是并行的，所以磁盤0的 IOPS 可以提高一倍。磁盤陣列說明RAID 1 的主要作用是能夠提高數(shù)據(jù)的安全性，它將一份數(shù)據(jù)分別到多RAID 1個(gè)磁盤陣列中。并不能提升 IOPS 但是相同的數(shù)據(jù)有多個(gè)備份。通常用于對數(shù)據(jù)安全性較高的場合中。這中設(shè)計(jì)方式是前兩種的折中方式，它將數(shù)據(jù)平均寫到所有磁盤陣列總數(shù)減一的磁盤中，往另外一個(gè)磁盤中寫入這份數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)信息。如果其中一個(gè)磁盤損壞，可以通過其它磁盤的數(shù)據(jù)和這個(gè)數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)信息來恢復(fù)這份數(shù)據(jù)。如名字一樣，就是根據(jù)數(shù)據(jù)的備份情況進(jìn)行分組，一份數(shù)據(jù)同時(shí)寫到多個(gè)備份磁盤

35、分組中，同時(shí)多個(gè)分組也會并行讀寫。RAID 5RAID 0+1網(wǎng)絡(luò) I/O 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò) I/O 優(yōu)化通常有一些基本處理原則：1.一個(gè)是減少網(wǎng)絡(luò)交互的次數(shù)：要減少網(wǎng)絡(luò)交互的次數(shù)通常我們在需要網(wǎng)絡(luò)交互的兩端會設(shè)置緩存，比如 Oracle 的 JDBC 驅(qū)動程序，就提供了對查詢的 SQL 結(jié)果的緩存，在客戶端和數(shù)據(jù)庫端 ，可以有效的減少對數(shù)據(jù)庫的。關(guān)于 Oracle JDBC 的內(nèi)存以參考 Oracle JDBC 內(nèi)存管理。除了設(shè)置緩存還有一個(gè)辦法是，合并請求：如在數(shù)據(jù)庫時(shí)，我們要查 10 個(gè) id，我可以每次查一個(gè) id，也可以一次查 10 個(gè)id。再比如在一個(gè)頁面時(shí)通過會有多個(gè) js 或 css

36、的文件，我們可以將多個(gè) js 文件合并在一個(gè) HTTP到后端 Web 服務(wù)器根據(jù)這個(gè) URL中，每個(gè)文件用逗號隔開，然后，再拆分出各個(gè)文件，然后打包再一并發(fā)回給前端瀏覽器。這些都是常用的減少網(wǎng)絡(luò) I/O 的辦法。減少網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量的大?。簻p少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的辦法通常是將數(shù)據(jù)壓縮后2.再傳輸，如 HTTP 請求中，通常 Web 服務(wù)器將請求的 Web 頁面縮后在傳輸給瀏覽器。還有就是通過設(shè)計(jì)簡單的協(xié)議，盡量通過gzip 壓協(xié)議和 7 層頭來獲取有用的價(jià)值信息。比如在程序設(shè)計(jì)時(shí)，有 4 層盡量避免要整個(gè)通信數(shù)據(jù)來取得需要的信息。3.盡量減少編碼：通常在網(wǎng)絡(luò) I/O 中數(shù)據(jù)傳輸都是以字節(jié)形式的，也就是通

37、常要序列化。但是我們要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是字符形式的，從字符到字節(jié)必須編碼。但是這個(gè)編碼過程是比較耗時(shí)的，所以 在要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò) I/O傳輸時(shí)，盡量直接以字節(jié)形式或者減少字符到字節(jié)的轉(zhuǎn)化過程。也就是盡量提前將字符轉(zhuǎn)化為字節(jié)，4.根據(jù)應(yīng)用場景設(shè)計(jì)合適的交互方式：所謂的交互場景主要包括同步與異步阻塞與非阻塞方式，下面將詳細(xì)介紹。同步與異步所 謂同步就是一個(gè)任務(wù)的完成需要依賴另外一個(gè)任務(wù)時(shí)，只有等待被依賴的任務(wù)完成后，依賴的任務(wù)才能算完成，這是一種可靠的任務(wù)序列。要么都，失敗都 失敗，兩個(gè)任務(wù)的狀態(tài)可以保持一致。而異步是不需要等待被依賴的任務(wù)完成，只是通知被依賴的任務(wù)要完成什么工作，依賴的任務(wù)也立即執(zhí)行，只要

38、完成了整 個(gè)任務(wù)就算完成了。至于被依賴的任務(wù)最終是否真正完成，依賴它的任務(wù)無法確定，所以它是不可靠的任務(wù)序列。我們可以用打很好的比喻同步與異 步操作。和發(fā)來在設(shè)計(jì)到 IO 處理時(shí)通常都會遇到一個(gè)是同步還是異步的處理方式的選擇問題。因?yàn)橥脚c異步的 I/O 處理方式對調(diào)用者的影響很大，在數(shù)據(jù)庫中都會遇到這個(gè)問題。因?yàn)?I/O 操作通常是一個(gè)非常耗時(shí)的操作，在一個(gè)任務(wù)序列中 I/O 通常都是性能瓶頸。但是同步與異步的處理方式對程序的可靠性影響非常大，同步能夠保證程序的可靠性，而異步可以提升程序的性能，必須在可靠性和性能之間做 個(gè)平衡，沒有完美的解決辦法。阻塞與非阻塞阻塞與非阻塞主要是從 CPU 的

39、消耗上來說的，阻塞就是 CPU 停下來等待一個(gè)慢的操作完成 CPU 才接著完成其它的事。非阻塞就是在這個(gè)慢的操作在執(zhí)行時(shí)CPU 去干其它別的事，等這個(gè)慢的操作完成時(shí)，CPU 再接著完成后續(xù)的操作。雖然表面上看非阻塞的方式可以明顯的提高 CPU 的利用率，但是也帶了另外一種后果就是系統(tǒng)的線程切換增加。增加的 CPU 使用時(shí)間能不能補(bǔ)償系統(tǒng)的切換成本需要好好評估。兩種的方式的組合組合的方式可以由四種，分別是：同步阻塞、同步非阻塞、異步阻塞、異步非阻塞，這四種方式都對 I/O 性能有影響。下面給出分析，并有一些常用的設(shè)計(jì)用例參考。表 3. 四種組合方式組合方式性能分析同步最常用的一種用法，使用也是最

40、簡單的，但是 I/O 性能一般很差，CPU 大阻塞 部分在提升 I/O同步網(wǎng)絡(luò) I/O態(tài)。性能的常用，就是將 I/O 的阻塞改成非阻塞方式，尤其在是長連接，同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)也不是很多的情況下，提升性能非常有非阻效。這種方式通常能提升 I/O 性能，但是會增加 CPU 消耗，要考慮增加的 I/O 性能能不能補(bǔ)償 CPU 的消耗，也就是系統(tǒng)的瓶頸是在 I/O 還是在 CPU 上。這種方式在分布式數(shù)據(jù)庫中經(jīng)常用到，例如在網(wǎng)一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫中寫一塞異步條，通常會有一份是同步阻塞的，而還有兩至三份是備份會阻塞 寫到其它上，這些備份通常都是采用異步阻塞的方式寫 I/O。異步阻塞對網(wǎng)絡(luò) I/O 能夠提升效率，尤

41、其像上面這種同時(shí)寫多份相同數(shù)據(jù)的情況。異步這種組合方式用起來比較復(fù)雜，只有在一些非常復(fù)雜的分布式情況下使用，組合方式性能分析非阻像集群之間的消息同步機(jī)制一般用這種 I/O 組合方式。如 Cassandra 的塞Gossip 通信機(jī)制就是采用異步非阻塞的方式。它適合同時(shí)要傳多份相同的數(shù)據(jù)到集群中不同的，同時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸量雖然不大，但是卻非常頻繁。這種網(wǎng)絡(luò) I/O 用這個(gè)方式性能能達(dá)到最高。雖然異步和非阻塞能夠提升 I/O 的性能，但是也會帶來一些額外的性能成本， 例如會增加線程數(shù)量從而增加 CPU 的消耗，同時(shí)也會導(dǎo)致程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度上升。如果設(shè)計(jì)的不合理的話反而會導(dǎo)致性能下降。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)

42、應(yīng)用場景綜合評估一下。下面舉一些異步和阻塞的操作實(shí)例：在 Cassandra 中要數(shù)據(jù)通常會往多個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)命令，但是要檢查同步結(jié)果的應(yīng)用場景，部分每個(gè)節(jié)點(diǎn)返回?cái)?shù)據(jù)的完整性，所以需要一個(gè)異步代碼如下：3.異步同步結(jié)果class AsyncResult implements IAsyncResultprivate private private private privatebyte result_;AtomicBoolean done_ = new AtomicBoolean(false); Lock lock_ = new ReentrantLock();Condition condition_; long startTime_;public AsyncResult()condition_ = lock_.newCondition();/ 創(chuàng)建一個(gè)鎖startTime_ = System.currentTimeMillis();/* 檢查需要的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)返回，如果沒有返回阻塞 */ public byte get()lock_.lock(); tryif (!done_.get()condition_.await();catch (InterruptedException ex) throw new AssertionError(ex);finallylock_.unloc