2018-1-2 by Atlas
1. 分類
- 分類標準-面向數據類型
字符流：主要操作char類型數據，包含Writer、Reader及其子類。
字節流：主要操作byte類型數據，包含OutputStream、InputStream及其子類。
字節便於計算機讀寫，字符便於人類識別，數據從字節到字符，再從字符到字節，完成人類和計算機之間的交流，也幫助人與人之間的交流。
- 分類標準-面向數據流向
輸入流：包含InputStream、Reader及其子類
輸出流：包含OutputStream、Writer及其子類。
IO流的一個特點就是對稱性，不論字節、字符，還是輸入、輸出，都是對稱的，數據進進出出完成交流，本文不用代碼舉例描述也非常容易理解和記憶，也是對稱的功勞，實際上接下來java序列化和解序列化將會形象的體會到。
整個IO類族是Writer、Reader及其子類和OutputStream、InputStream及其子類的組合拓展和完善的。
2. 常用類
- InputStream
InputStream是所有輸入字節流的父類，是一個抽象類。
ByteInputStream、FileInputStream是基本的介質流，分別從Byte數組、本地文件中讀取數據。
ObjectInputStream和FilterInputStream及其子類都是裝飾流。
- OutputStream
OutputStream是所有輸出字節流的父類，是一個抽象類。
ByteOutputStream、FIleOutputStream是基本的介質流，分別往Byte數組、本地文件中寫入數據。
ObjectOutputStream和FilterOutputStream及其子類都是裝飾流。
- Reader
Reader是所有字符輸入流的父類，是一個抽象類。
CharArrayReader、StringReader分別從Char數組、String中讀取數據。
PipedReader從與其它線程共享的管道中讀取數據。
BufferedReader、FilterReader及其子類都是裝飾流。
- Writer
Writer是所有字符輸出流的父類，是一個抽象類。
CharArrayWriter、StringWriter分別往Char數組、String中寫入數據。
PipedWriter往與其他線程共享的管道中寫入數據。
BufferedWriter、FilterWriter及其子類都是裝飾流。
- InputStreamReader
InputStreamReader是一個連接字節輸入流和字符輸入流的橋樑，FileReader是實現此功能的工具類。
- OutputStreamWriter
OutputStreamWriter是一個連接字節輸出流和字符輸出流的橋樑，FileWriter是實現此功能的工具類。
3. 理解IO原理
- 用戶態和內核態
對於操作系統而言，JVM只是一個用戶進程，處於用戶態空間中。而處於用戶態空間的進程是不能直接操作底層的硬件的。而IO操作就需要操作底層的硬件，比如磁盤。因此，IO操作必須得藉助內核的幫助才能完成(中斷，trap)，即：會有用戶態到內核態的切換。
- 用戶緩衝和內核緩衝
優勢：我們寫代碼 new byte[] 數組時，一般是都是“隨意” 創建一個“任意大小”的數組。比如，new byte[128]、new byte[1024]、new byte[4096]....但是，對於磁盤塊的讀取而言，每次訪問磁盤讀數據時，並不是讀任意大小的數據的，而是：每次讀一個磁盤塊或者若干個磁盤塊(這是因爲訪問磁盤操作代價是很大的，而且我們也相信局部性原理) 因此，就需要有一個“中間緩衝區”--即內核緩衝區。先把數據從磁盤讀到內核緩衝區中，然後再把數據從內核緩衝區搬到用戶緩衝區。這也是爲什麼我們總感覺到第一次read操作很慢，而後續的read操作卻很快的原因吧。因爲，對於後續的read操作而言，它所需要讀的數據很可能已經在內核緩衝區了，此時只需將內核緩衝區中的數據拷貝到用戶緩衝區即可，並未涉及到底層的讀取磁盤操作，當然就快了。
劣勢：當需要傳輸的數據遠遠大於內核緩衝區的大小時，內核緩衝區就會成爲瓶頸，原因是它已經起不到“緩衝”的功能。
- 普通IO處理流程
1）用戶程序創建一個緩衝區。
2）當執行到read()方法時，其實底層是發生了很多操作的：
①內核給磁盤控制器發命令說：我要讀磁盤上的某某塊磁盤塊上的數據。
②在DMA的控制下，把磁盤上的數據讀入到內核緩衝區。
③內核把數據從內核緩衝區複製到用戶緩衝區。
- NIO處理流程
1）內核空間的 buffer 與 用戶空間的 buffer 都映射到同一塊 物理內存區域。
2）對文件的操作不需要再發read 或者 write 系統調用。
3）當用戶進程訪問“內存映射文件”地址時，自動產生缺頁錯誤，然後由底層的OS負責將磁盤上的數據送到內存。
使用內存映射緩衝區來操作文件，它比普通的IO操作讀文件要快得多。甚至比使用文件通道(FileChannel)操作文件 還要快。因爲，使用內存映射緩衝區操作文件時，沒有顯示的系統調用(read,write)，而且OS還會自動緩存一些文件頁(memory page)
- 經典讀文件
大多數WEB應用程序執行的一系列操作：接受用戶請求--->從本地磁盤讀數據--->數據進入內核緩衝區--->用戶緩衝區--->內核緩衝區--->用戶緩衝區--->socket發送數據。
①第一次上下文切換髮生在 read()方法執行，表示服務器要去磁盤上讀文件了，這會導致一個 sys_read()的系統調用。此時由用戶態切換到內核態，完成的動作是：DMA把磁盤上的數據讀入到內核緩衝區中（這也是第一次拷貝）。
②第二次上下文切換髮生在read()方法的返回(這也說明read()是一個阻塞調用)，表示數據已經成功從磁盤上讀到內核緩衝區了。此時，由內核態返回到用戶態，完成的動作是：將內核緩衝區中的數據拷貝到用戶緩衝區（這是第二次拷貝）。
③第三次上下文切換髮生在 send()方法執行，表示服務器準備把數據發送出去了。此時，由用戶態切換到內核態，完成的動作是：將用戶緩衝區中的數據拷貝到內核緩衝區(這是第三次拷貝)。
④第四次上下文切換髮生在 send()方法的返回【這裏的send()方法可以異步返回，所謂異步返回就是：線程執行了send()之後立即從send()返回，剩下的數據拷貝及發送就交給底層操作系統實現了】。此時，由內核態返回到用戶態，完成的動作是：將內核緩衝區中的數據送到 protocol engine.（這是第四次拷貝）。
- zerocopy transferTo() 讀文件
IO操作需要數據頻繁地在內核緩衝區和用戶緩衝區之間拷貝，而zerocopy技術可以減少這種拷貝的次數，同時也降低了上下文切換(用戶態與內核態之間的切換)的次數。
zerocopy技術的目標就是提高IO密集型JAVA應用程序的性能。
1）DMA將數據從磁盤讀入 Read buffer中(第一次數據拷貝)。
2）還是在內核空間中，將數據從Read buffer 拷貝到 Socket buffer(第二次數據拷貝)。
3）最終再將數據從 Socket buffer 拷貝到 NIC buffer(第三次數據拷貝)。
4）再從內核態返回到用戶態。
三次數據拷貝和二次上下文切換。
- 增強的 zerocopy transferTo() 讀文件
如果底層的網絡硬件以及操作系統支持，還可以進一步減少數據拷貝次數 以及 CPU干預次數。
1）用戶程序執行 transferTo()方法，導致一次系統調用，從用戶態切換到內核態。
2）DMA將數據從磁盤中拷貝到Read buffer用一個描述符標記此次待傳輸數據的地址以及長度。
3）DMA直接把數據從Read buffer 傳輸到 NIC buffer。
參考文獻：JAVAIO以及NIO理解