2.2磁盘IO&网络IO工作机制

磁盘I/O工作机制：访问文件

在Java中，读 & 写对应了 read() & write() 两个系统调用，但只要系统调用，就会存在内核空间地址和用户空间地址切换的问题（操作系统为了保护系统安全，必须将内存空间和用户空间进行隔离），因为数据可能需要从内核空间向用户空间复制。

如果遇到了非常耗时的操作，如磁盘I/O,数据得从磁盘–>内核空间–>用户空间，复制了两遍，将会非常缓慢。

因此操作系统在内核空间加入了缓存机制，也就是说：如果用户程序访问的是同一段磁盘地址的数据，将会从上一次在内核空间的缓存中直接取得，这样就只复制了一次。

接下来会介绍几种访问文件的方式：

1. 标准访问文件方式

   • 当调用read()接口时，操作系统检查在内核的高速缓存中有没有数据，如果有就直接返回；否则从磁盘中读取，然后再缓存在内核中。

   • 当调用write()接口时，数据从用户地址空间–>内核地址空间的缓存中，操作完成。

     至于什么时候写到磁盘，由操作系统决定，除非调用sync同步，强制写入磁盘中。

2. 直接I/O方式

   • 程序直接访问磁盘数据，不经过操作系统内核，这样做能够减少一次数据复制。
   • y优点：适用与由程序实现~~（而不是操作系统）~~的数据库管理系统等，因为操作系统不知道应该缓存哪些数据、失效哪些数据，但是程序知道。
   • 缺点：如果访问的数据不在缓存中，那么每次都会直接从磁盘加载，而这种加载相对非常慢，多次之后会变得十分低效。

3. 同步访问文件方式

   • 数据的读&写都是同步操作，和标准访问不同的是：只有当数据被成功写到磁盘时，才返回标志给应用程序
   • 性能差，只针对于数据安全性要求高的场景，通常由硬件完成

4. 异步访问文件方式

   • 当访问数据的线程发出请求后，线程会接着处理其他事情，而不是阻塞（等待），只有当数据返回时才继续处理后续操作。
   • 能提高程序效率，但不是访问文件的效率

5. 内存映射方式

   • 将操作系统内存中的某块区域和磁盘中的文件夹关联，访问内存时转化为访问磁盘文件的某段数据（和直接IO的区别就是这个映射，相当于一个定位，就快的多）
   • 目的是减少数据的复制操作，此时这两个空间的数据都相当于是共享的

Java序列化&反序列化

​ Java序列化就是将一个对象转化为一串二进制的字节数组，然后通过保存这个字节数组进行持久化。而且达到持久化的目的，必须实现java.io.Serializable接口。

​ Java反序列化就是将字节数组再重新构造成对象。

序例化对象

要序例化一个对象，分如下步骤：

• 创建某种OutputStream对象，然后将其封装在一个ObjectOutputStream对象内
• 调用writeObject()即可将对象序列化(对象序列化基于字节，因此使用InputStream和OutputStream继承类层次结构)。

反序列化和序列化过程正好相反，需要将一个InputStream封装在ObjectInputStream内，然后调用readObject()获取一个引用，它指向一个向上转型的Object，所以必须向下转型才能直接设置它们。

对于序列化对象的代码：

public class Serialize implements Serializable {
    public int num = 1;
    public long id = 777;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //初始化
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream("filepath");
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
        //开始干事情
        Serialize sl = new Serialize();//我自己写的对象
        oos.writeObject(Serialize);
        oos.flush();
        oos.close();
    }
}

另外，在纯Java环境下，Java序列化能够很好地工作；但是在多语言环境下，会出问题，尽量还是用JSON或XML这些通用的数据结构。

网络I/O工作机制

基础知识

首先你得懂TCP的三次握手和四次挥手，在《计算机网络》中有详细说明，不做过多解释。

要想加速网络的I/O，首先要分析一下影响网络的因素：

• 网络带宽：1s内能传输的最大比特数，平均网络带宽为1.7Mb/s
• 传输距离：也就是数据要在光纤中走的距离，因为有一个折射率，所以大概只有光速的2/3，比如杭州和青岛的两台机子进行同步操作必定会有一个30ms的延时
• TCP拥塞控制：详细见《计算机网络》

Java Socket工作机制

Socket 是描述计算机之间完成相互通信一种抽象功能。下面将通过一组比喻&一张图让你了解Socket的工作机制：

• 两台主机=两个城市
• 物理链路=高速通道
• Socket=交通工具
• 要交付的数据=要运输的货物
• 通信协议=交通工具的相关规则（比如说电动车不准上高速[狗头]）

大致过程：

但是一台主机上可能运行着多个应用程序，所以，就要通过 TCP 或 UDP 的地址也就是端口号来指定，端口号又对应一个Socket。这样就可以通过一个 Socket 实例,唯一代表一条通信链路了。下面将具体介绍是如何建立链路的。

建立通信链路

当客户端要与服务端通信：

在客户端

• 客户端首先要创建一个 Socket 实例，操作系统将为这个 Socket 分配一个端口号（port）
• 创建一个套接字数据结构，包含本地和远程地址&端口号。（这个数据结构将一直保存在系统中直到这个连接关闭）
• 进行 TCP 的三次握手协议
• Socket 实例的构造函数正确返回，Socket 实例对象就宣布正式创建完成，否则将抛出 IOException 错误。

在服务端

• 服务端将创建一个 ServerSocket 实例（比较简单，只要端口号未占用，一般实例创建都会成功）

• 操作系统也会为 ServerSocket 实例创建一个底层数据结构，包含指定监听的端口号和包含监听地址的通配符（通常情况下都是“*”即监听所有地址）

• 调用 accept() 方法时，进入阻塞状态，等待客户端的请求。

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• 当一个新的请求到来时，将为这个连接创建一个新的套接字数据结构（包含请求源地址和端口）。

• 这个数据结构，将会关联到 ServerSocket 实例的一个未完成的连接“数据结构“列表中（注意这时服务端与之对应的 Socket 实例并没有正式创建完成，待三次握手完成后，就会将这个 Socket 实例对应的数据结构从未完成列表中移到已完成列表中）

  所以 ServerSocket 所关联的列表中每个数据结构，都代表与一个客户端的建立的 TCP 连接（无论是否完成）

数据传输

传输数据是我们建立连接的主要目的，如何通过 Socket 传输数据，下面将详细介绍。

• 当连接已经建立成功，服务端和客户端都会拥有一个 Socket 实例，两边的 Socket 实例都有一个 InputStream 和 OutputStream，正是通过这两个对象来交换数据。

• 当 Socket 对象正式创建完毕时，操作系统将会为 InputStream 和 OutputStream 分别分配一定大小的缓冲区，以便数据的写入和读取

• 写入端将数据写到 OutputStream 对应的 SendQ 队列中，当队列填满时，数据就将会一起发送，到读取端的InputStream 的 RecvQ 队列中。（如果这时 RecvQ 已经满了，那么 OutputStream 的 write 方法将会阻塞直到 RecvQ 队列有足够的空间容纳 SendQ 发送的数据）

注意：

• 这个缓存区的大小&写入端的速度&读取端的速度，非常影响该连接的数据传输效率，所以在写入和读取还要有一个协调的过程
• 如果两边同时传送数据时可能会产生死锁，在后面 NIO 部分将介绍避免这种情况。