Java IO 詳解

IO效能對於一個系統的影響是至關重要的。一個系統經過多項最佳化以後，瓶頸往往落在資料庫；而資料庫經過多種最佳化以後，瓶頸最終會落到IO。而IO效能的發展，明顯落後於CPU的發展。Memchached也好，NoSql也好，這些流行技術的背後都在直接或者間接地迴避IO瓶頸，從而提高系統效能。   IO系統的分層： 三層結構 層次比較多，但總的就是三部分。磁碟（儲存）、VM（卷管理）和檔案系統。專有名詞不好理解，打個比方說：磁碟就相當於一塊待用的空地；LVM相當於空地上的圍牆（把空地劃分成多個部分）；檔案系統則相當於每塊空地上建的樓房（決定了有多少房間、房屋編號如何，能容納多少人住）；而房子裡面住的人，則相當於系統裡面存的資料。 檔案系統—資料如何存放？ 對應了的FileSystem和Buffer Cache。 FileSystem（檔案系統）：解決了空間管理的問題，即：資料如何存放、讀取。 BufferCache：解決資料緩衝的問題。對讀，進行cache，即：緩衝經常要用到的資料；對寫，進行buffer，緩衝一定資料以後，一次性進行寫入。 VM—磁碟空間不足了怎麼辦？ 對應的Vol Mgmt。 VM其實跟IO沒有必然聯絡。他是處於檔案系統和磁碟（儲存）中間的一層。VM屏蔽了底層磁碟對上層檔案系統的影響。當沒有VM的時候，檔案系統直接使用儲存上的地址空間，因此檔案系統直接受限於物理硬碟，這時如果發生磁碟空間不足的情況，對應用而言將是一場噩夢，不得不新增硬碟，然後重新進行資料複製。而VM則可以實現動態擴充，而對檔案系統沒有影響。另外，VM也可以把多個磁碟合并成一個磁碟，對檔案系統呈現統一的地址空間，這個特性的殺傷力不言而喻。 儲存—資料放在哪兒？如何訪問？如何提高IO速度？ 對應的Device Driver、IO Channel和Disk Device 資料最終會放在這裡，因此，效率、資料安全、容災是這裡需要考慮的問題。而提高儲存的效能，則可以直接提高物理IO的效能     2. Logical IO vs Physical IO 邏輯IO是作業系統發起的IO，這個資料可能會放在磁碟上，也可能會放在記憶體（檔案系統的Cache）裡。 物理IO是裝置驅動發起的IO，這個資料最終會落在磁碟上。       邏輯IO和物理IO不是一一對應的。 這部分的東西在網路編程經常能看到，不過在所有IO處理中都是類似的。 IO請求的兩個階段： 等待資源階段：IO請求一般需要請求特殊的資源（如磁碟、RAM、檔案），當資源被上一個使用者使用沒有被釋放時，IO請求就會被阻塞，直到能夠使用這個資源。 使用資源階段：真正進行資料接收和發生。 舉例說就是排隊和服務。 在等待資料階段，IO分為阻塞IO和非阻塞IO。 阻塞IO：資源不可用時，IO請求一直阻塞，直到反饋結果（有資料或逾時）。 非阻塞IO：資源不可用時，IO請求離開返回，返回資料標識資源不可用 在使用資源階段，IO分為同步IO和非同步IO。 同步IO：應用阻塞在發送或接收資料的狀態，直到資料成功傳輸或返回失敗。 非同步IO：應用發送或接收資料後立刻返回，資料寫入OS緩衝，由OS完成資料發送或接收，並返回成功或失敗的資訊給應用。 按照Unix的5個IO模型劃分 阻塞IO 非阻塞IO IO複用 訊號驅動的IO 非同步IO 從效能上看，非同步IO的效能無疑是最好的。   各種IO的特點 阻塞IO：使用簡單，但隨之而來的問題就是會形成阻塞，需要獨立線程配合，而這些線程在大多數時候都是沒有進行運算的。Java的BIO使用這種方式，問題帶來的問題很明顯，一個Socket需要一個獨立的線程，因此，會造成線程膨脹。 非阻塞IO：採用輪詢方式，不會形成線程的阻塞。Java的NIO使用這種方式，對比BIO的優勢很明顯，可以使用一個線程進行所有Socket的監聽（select）。大大減少了線程數。 同步IO：同步IO保證一個IO操作結束之後才會返回，因此同步IO效率會低一些，但是對應用來說，編程方式會簡單。Java的BIO和NIO都是使用這種方式進行資料處理。 非同步IO：由於非同步IO請求只是寫入了緩衝，從緩衝到硬碟是否成功不可知，因此非同步IO相當於把一個IO拆成了兩部分，一是發起請求，二是擷取處理結果。因此，對應用來說增加了複雜性。但是非同步IO的效能是所有很好的，而且非同步思想貫穿了IT系統放放面面。

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