【简记】Java Web 内幕——NIO，IO调优，IO设计模式

本章内容：

NIO介绍

非阻塞I/O， 阻塞I/O（https://www.zhihu.com/question/19732473）

同步异步I/O

I/O调优

IO类中的设计模式体现

2.4 NIO的工作方式

2.4.1 BIO带来的挑战

BIO 即阻塞l/O，一旦有阻塞，线程将会失去CPU 的使用权，这在当前的大规模访问量和有性能要求的情况下是不能被接受的。

虽然当前的网络 I/O 有一些解决办法，如一个客户端一个处理线程，出现阻塞时只是一个线程阻塞而不会影响其它线程工作，还有为了减少系统线程的开销，采用线程池的办法来减少线程创建和回收的成本，但是有一些使用场景仍然是无法解决的。如当前一些需要大量 HTTP 长连接的情况，像淘宝现在使用的 Web 旺旺项目，服务端需要同时保持几百万的 HTTP 连接，但是并不是每时每刻这些连接都在传输数据，这种情况下不可能同时创建这么多线程来保持连接。即使线程的数量不是问题，仍然有一些问题还是无法避免的。如这种情况，我们想给某些客户端更高的服务优先级，很难通过设计线程的优先级来完成，另外一种情况是，我们需要让每个客户端的请求在服务端可能需要访问一些竞争资源，由于这些客户端是在不同线程中，因此需要同步，而往往要实现这些同步操作要远远比用单线程复杂很多。以上这些情况都说明，我们需要另外一种新的 I/O 操作方式。

NIO的工作机制



NIO 引入了Channel 、Buffer 和Selector ，就是想把这些信息具体化， 让程序员有机会控制它们。如：当我们调用 write() 往 SendQ 写数据时，当一次写的数据超过 SendQ 长度是需要按照 SendQ 的长度进行分割，这个过程中需要有将用户空间数据和内核地址空间进行切换，而这个切换不是你可以控制的。而在 Buffer 中我们可以控制 Buffer 的 capacity，并且是否扩容以及如何扩容都可以控制。

（Channel 是汽车的话， Buffer就是汽车上的座位 ，Selector比作一个车站的车辆运行调度系统，它将负责监控每辆车的当前运行状态，是已经出站，还是在路上等）

使用上述方法，可以实现在单线程下处理多个事件。

简单的一个例子

public void selector() throws IOException {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false);//设置为非阻塞方式
ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//注册监听的事件
while (true) {
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();//取得所有key集合
Iterator it = selectedKeys.iterator();
while (it.hasNext()) {
SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();
if ((key.readyOps(
4000
) & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT) {
ServerSocketChannel ssChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = ssChannel.accept();//接受到服务端的请求
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);//读取数据
if (n <= 0) {
break;
}
buffer.flip();
}
it.remove();
}
}
}
}

在事件应用中，我们通常会把 一个线程专门负责监听客户端的连接请求，而且是以阻塞方式执行的；另外一个线程专门负责处理请求，这个专门处理请求的线程才会真正采用NIO的方式，像Web服务器Tomcat 和Jetty 都是使用这个处理方式。



关键的地方是，有一个线程来处理所有连接的数据交互，每个连接的数据交互都不是阻塞方式，所以可以同时处理大量的连接请求。

2.4.3 Buffer的工作方式

ByteBuffer. allocate(11)：创建一个11个byte的数组缓冲区

buffer.flip()：将缓存的数据写入channel信道

buffer.clear()：清空buffer，回到初始状态

2.4.4 NIO的数据访问方式

NIO 提供了比传统的文件访问方式更好的方法

1 FileChannel.transferXXX

FileChannel的transferFrom()方法可以将数据从源通道传输到FileChannel中

2.5 I/O 调优

通常提升磁盘I/O性能的方法有：

增加缓存，减少磁盘访问次数。

优化磁盘的管理系统，设计最优的磁盘方式策略，以及磁盘的寻址策略，这是在底层操作系统层面考虑的。

设计合理的磁盘存储数据块，以及访问这些数据块的策略，这是在应用层面考虑的。例如，我们可以给存放的数据设计索引，通过寻址索引来加快和减少磁盘的访问量，还可以采用异步和非阻塞的方式加快磁盘的访问速度。

应用合理的RAID 策略提升磁盘I/O

TCP 网络参数调优：



网络I/O优化：

减少网络交互的次数：使用缓存；合并访问请求；将多个JS 文件合并在一个HTTP 链接中，每个文件用逗号隔开，然后发送到后端Web 服务器，根据这个URL 链接再拆分为各个文件，最后打包再一井退回给前端浏览器。

减少网络传输数据量的大小：压缩文件。

尽量减少编码：提前把字符转化成字节。



设计模式——适配器模式

就是把一个类的接口变换成客户端所能接受的另一种接口，从而使两个接口不匹配而无法在一起工作的两个类能够在一起工作。

InputStreamReader 和OutputStreamWriter 类分别继承了Reader 和Writer 接口，但是要创建它们的对象必须在构造函数中传入一个 InputStream 和 OutputStream 的实例。

InputStreamReader 和OutputStreamWriter 的作用也就是将InputStream 和OutputStream 适配到Reader 和Writer。

public InputStreamReader(InputStream in) {}；

InputStreamReader 实现了Reader 接口， 并且持有了InputStream 的引用， 这里是通过StreamDecoder 类间接持有的，因为从byte 到char 要经过编码。

很显然， 适配器就是InputStreamReader 类，源角色就是InputStream 代表的实例对象，目标接口就是Reader 类。

在I/O类库中还有很多类似的用法， 如StringReader 将一个String 类适配到Reader 接口， ByteArraylnputStream 适配器将byte 数组适配到InputStream 流处理接口。

设计模式——装饰器模式

就是将某个类重新装扮一下，使得它比原来在功能上更强大。



装饰器与适配器模式都有一个别名就是包装模式(Wrapper) ，它们看似都是起到包装一个类或对象的作用，但是使用它们的目的很不一样。

适配器模式的意义是要将一个接口转变成另外一个接口，它的目的是通过改变接口来达到重复使用的目的；

而装饰器模式不是要改变被装饰对象的接口，而是恰恰要保持原有的接口，但是增强原有对象的功能，或者改变原有对象的处理方法而提升性能。所以这两个模式设计的目的是不同的。