本文介绍操作系统I/O工作原理，Java I/O设计，基本使用，开源项目中实现高性能I/O常见方法和实现，彻底搞懂高性能I/O之道

基础概念

在介绍I/O原理之前，先重温几个基础概念：

  • (1) 操作系统与内核

操作系统：管理计算机硬件与软件资源的系统软件
内核：操作系统的核心软件，负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统等等，为应用程序提供对计算机硬件的安全访问服务

  • 2 内核空间和用户空间

为了避免用户进程直接操作内核，保证内核安全，操作系统将内存寻址空间划分为两部分：
内核空间（Kernel-space），供内核程序使用
用户空间（User-space），供用户进程使用
为了安全，内核空间和用户空间是隔离的，即使用户的程序崩溃了，内核也不受影响

  • 3 数据流

计算机中的数据是基于随着时间变换高低电压信号传输的，这些数据信号连续不断，有着固定的传输方向，类似水管中水的流动，因此抽象数据流(I/O流)的概念：指一组有顺序的、有起点和终点的字节集合，

抽象出数据流的作用：实现程序逻辑与底层硬件解耦，通过引入数据流作为程序与硬件设备之间的抽象层，面向通用的数据流输入输出接口编程，而不是具体硬件特性，程序和底层硬件可以独立灵活替换和扩展

I/O 工作原理

1 磁盘I/O

典型I/O读写磁盘工作原理如下：

tips: DMA：全称叫直接内存存取（Direct Memory Access），是一种允许外围设备（硬件子系统）直接访问系统主内存的机制。基于 DMA 访问方式，系统主内存与硬件设备的数据传输可以省去CPU 的全程调度

值得注意的是：

  • 读写操作基于系统调用实现
  • 读写操作经过用户缓冲区，内核缓冲区，应用进程并不能直接操作磁盘
  • 应用进程读操作时需阻塞直到读取到数据

2 网络I/O

这里先以最经典的阻塞式I/O模型介绍：

tips:recvfrom，经socket接收数据的函数

值得注意的是：

  • 网络I/O读写操作经过用户缓冲区，Sokcet缓冲区
  • 服务端线程在从调用recvfrom开始到它返回有数据报准备好这段时间是阻塞的，recvfrom返回成功后，线程开始处理数据报

Java I/O设计

1 I/O分类

Java中对数据流进行具体化和实现，关于Java数据流一般关注以下几个点：

  • (1) 流的方向
    从外部到程序，称为输入流；从程序到外部，称为输出流

  • (2) 流的数据单位
    程序以字节作为最小读写数据单元，称为字节流，以字符作为最小读写数据单元，称为字符流

  • (3) 流的功能角色

从/向一个特定的IO设备（如磁盘，网络）或者存储对象(如内存数组)读/写数据的流，称为节点流；
对一个已有流进行连接和封装，通过封装后的流来实现数据的读/写功能，称为处理流(或称为过滤流)；

2 I/O操作接口

java.io包下有一堆I/O操作类，初学时看了容易搞不懂，其实仔细观察其中还是有规律：
这些I/O操作类都是在继承4个基本抽象流的基础上，要么是节点流，要么是处理流

2.1 四个基本抽象流

java.io包中包含了流式I/O所需要的所有类，java.io包中有四个基本抽象流，分别处理字节流和字符流：

  • InputStream
  • OutputStream
  • Reader
  • Writer

2.2 节点流

节点流I/O类名由节点流类型 + 抽象流类型组成，常见节点类型有：

  • File文件
  • Piped 进程内线程通信管道
  • ByteArray / CharArray (字节数组 / 字符数组)
  • StringBuffer / String (字符串缓冲区 / 字符串)

节点流的创建通常是在构造函数传入数据源，例如：

FileReader reader = new FileReader(new