NIO的概念有哪些

這篇文章主要介紹了NIO的概念有哪些的相關知識，內容詳細易懂，操作簡單快捷，具有一定借鑒價值，相信大家閱讀完這篇NIO的概念有哪些文章都會有所收獲，下面我們一起來看看吧。

緩沖區(qū)（Buffers）

新的 Buffer 類是常規(guī) Java 類和通道之間的紐帶。原始數(shù)據(jù)元素組成的固定長度數(shù)組，封裝在包含狀態(tài)信息的對象中，存入緩沖區(qū)。緩沖區(qū)提供了一個會合點：通道既可提取放在緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)（寫），也可向緩沖區(qū)存入數(shù)據(jù)供讀?。ㄗx）。此外，還有一種特殊類型的緩沖區(qū)，用于內存映射文件。

通道（Channels）

NIO 新引入的最重要的抽象是通道的概念。Channel 對象模擬了通信連接，管道既可以是單向的（進或出），也可以是雙向的（進和出）?？梢园淹ǖ老胂蟪蛇B接緩沖區(qū)和 I/O 服務的捷徑

文件鎖定和內存映射文件（File locking and memory-mapped files）

新的 FileChannel 對象包含在 java.nio.channels 軟件包內，提供許多面向文件的新特 性，其中最有趣的兩個是文件鎖定和內存映射文件。
在多個進程協(xié)同工作的情況下，要協(xié)調各個進程對共享數(shù)據(jù)的訪問，文件鎖定是必不可少的工具。

將文件映射到內存，這樣在您看來，磁盤上的文件數(shù)據(jù)就像是在內存中一樣。這利用了操作系統(tǒng)的虛擬內存功能，無需在內存中實際保留一份文件的拷貝，就可實現(xiàn)文件內容的動態(tài)高速緩存。

套接字（Sockets）

套接字通道類為使用網(wǎng)絡套接字實現(xiàn)交互提供了新方法。套接字通道可工作于非塊模式，并可與選擇器一同使用。因此，多個套接字可實現(xiàn)多路傳輸，管理效率也比 java.net 提供的傳統(tǒng)套接字更高。三個新套接字通道，即 ServerSocketChannel、SocketChannel 和 DatagramChannel

選擇器（Selectors）

選擇器可實現(xiàn)就緒性選擇。Selector 類提供了確定一或多個通道當前狀態(tài)的機制。使用選擇 器，借助單一線程，就可對數(shù)量龐大的活動 I/O 通道實施監(jiān)控和維護。

正則表達式（Regular expressions）

新增的 java.util.regex 軟件包將類似 Perl 語言的正則表達式處理機制引入 Java。這一人 們期盼已久的特性有著廣泛用途。

新的正則表達式 API 之所以被看成是 NIO 的組成部分，是因 JSR 51 把它與其他 NIO 特性放在一起作了詳細說明。雖然它在許多方面與 NIO 的其他組成部分缺乏平行關系，但它在文件處理等眾多領域都是極其有用的。

字符集（Character sets）
java.nio.charsets 提供了新類用于處理字符與字節(jié)流之間的映射關系。您可以對字符轉換映射方式進行選擇，也可以自己創(chuàng)建映射。

磁盤I/O的示例

圖中明顯忽略了很多細節(jié)，僅顯示了涉及到的基本步驟。

如圖

注意圖中用戶空間和內核空間的概念。用戶空間是常規(guī)進程所在區(qū)域。JVM 就是常規(guī)進程，駐守于用戶空間。用戶空間是非特權區(qū)域：比如，在該區(qū)域執(zhí)行的代碼就不能直接訪問硬件設備。內核空間是操作系統(tǒng)所在區(qū)域。內核代碼有特別的權力：它能與設備控制器通訊，控制著用戶區(qū)域進程的運行狀態(tài)，等等。最重要的是，所有 I/O 都直接（如這里所述）或間接（見 1.4.2 小節(jié)）通過內核空間。

當進程請求 I/O 操作的時候，它執(zhí)行一個系統(tǒng)調用（有時稱為陷阱）將控制權移交給內核。C/C++程序員所熟知的底層函數(shù) open( )、read( )、write( )和 close( )要做的無非就是建立和執(zhí)行適當 的系統(tǒng)調用。當內核以這種方式被調用，它隨即采取任何必要步驟，找到進程所需數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送到用戶空間內的指定緩沖區(qū)。內核試圖對數(shù)據(jù)進行高速緩存或預讀取，因此進程所需數(shù)據(jù)可能已經(jīng)在內核空間里了。如果是這樣，該數(shù)據(jù)只需簡單地拷貝出來即可。如果數(shù)據(jù)不在內核空間，則進程被掛起，內核著手把數(shù)據(jù)讀進內存。

看了圖 1-1，您可能會覺得，把數(shù)據(jù)從內核空間拷貝到用戶空間似乎有些多余。為什么不直接讓磁盤控制器把數(shù)據(jù)送到用戶空間的緩沖區(qū)呢？這樣做有幾個問題。首先，硬件通常不能直接訪問用戶空間 1。其次，像磁盤這樣基于塊存儲的硬件設備操作的是固定大小的數(shù)據(jù)塊，而用戶進程請求的可能是任意大小的或非對齊的數(shù)據(jù)塊。在數(shù)據(jù)往來于用戶空間與存儲設備的過程中，內核負責數(shù)據(jù)的分解、再組合工作，因此充當著中間人的角色。

發(fā)散／匯聚

許多操作系統(tǒng)能把組裝／分解過程進行得更加高效。根據(jù)發(fā)散／匯聚的概念，進程只需一個系統(tǒng)調用，就能把一連串緩沖區(qū)地址傳遞給操作系統(tǒng)。然后，內核就可以順序填充或排干多個緩沖區(qū)，讀的時候就把數(shù)據(jù)發(fā)散到多個用戶空間緩沖區(qū)，寫的時候再從多個緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)匯聚起來這樣用戶進程就不必多次執(zhí)行系統(tǒng)調用（那樣做可能代價不菲），內核也可以優(yōu)化數(shù)據(jù)的處理過程，因為它已掌握待傳輸數(shù)據(jù)的全部信息。如果系統(tǒng)配有多個 CPU，甚至可以同時填充或排干多個緩沖區(qū)。

虛擬內存

所有現(xiàn)代操作系統(tǒng)都使用虛擬內存。虛擬內存意為使用虛假（或虛擬）地址取代物理（硬件RAM）內存地址。這樣做好處頗多，總結起來可分為兩大類：

1. 一個以上的虛擬地址可指向同一個物理內存地址。

2. 虛擬內存空間可大于實際可用的硬件內存。

設備控制器不能通過 DMA 直接存儲到用戶空間，但通過利用上面提到的***項，則可以達到相同效果。把內核空間地址與用戶空間的虛擬地址映射到同一個物理地址，這樣，DMA 硬件（只能訪問物理內存地址）就可以填充對內核與用戶空間進程同時可見的緩沖區(qū)

如圖，進程虛擬內存和內核虛擬內存映射到的物理地址都一樣，這樣DMA寫到實際的物理內存后，兩個緩沖區(qū)指向的物理地址都一樣，那么他們就同時能訪問到數(shù)據(jù)了。

但前提條件是，內核與用戶緩沖區(qū)必須使用相同的頁對齊，緩沖區(qū)的大小還必須是磁盤控制器塊大?。ㄍǔ?512 字節(jié)磁盤扇區(qū)）的倍數(shù)。操作系統(tǒng)把內存地址空間劃分為頁，即固定大小的字節(jié)組。內存頁的大小總是磁盤塊大小的倍數(shù)，通常為 2 次冪（這樣可簡化尋址操作）。典型的內存頁為 1,024、2,048 和 4,096 字節(jié)。虛擬和物理內存頁的大小總是相同的。

如上圖顯示了來自多個虛擬地址的虛擬內存頁是如何映射到物理內。

內存頁面調度

為了支持虛擬內存的第二個特性（尋址空間大于物理內存），就必須進行虛擬內存分頁（經(jīng)常稱為交換，雖然真正的交換是在進程層面完成，而非頁層面）。依照該方案，虛擬內存空間的頁面能夠繼續(xù)存在于外部磁盤存儲，這樣就為物理內存中的其他虛擬頁面騰出了空間。從本質上說，物理內存充當了分頁區(qū)的高速緩存；而所謂分頁區(qū)，即從物理內存置換出來，轉而存儲于磁盤上的內存頁面。

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