Java NIO学习笔记之基本概念

一、缓冲区操作

　　缓冲区，以及缓冲区如何工作，是所有 I/O 的基础。所谓“输入／输出”讲的无非就是把数据移进或移出缓冲区。

　　进程使用 read( )系统调用，要求其缓冲区被填满。内核随即向磁盘控制硬件发出命令，要求其从磁盘读取数据。磁盘控制器把数据直接写入内核内存缓冲区，这一步通过 DMA 完成，无需主 CPU 协助。一旦磁盘控制器把缓冲区装满，内核即把数据从内核空间的临时缓冲区拷贝到进程执行 read( )调用时指定的缓冲区。

图 1-1. I/O 缓冲区操作简图

　　为什么不直接让磁盘控制器把数据送到用户空间的缓冲区呢？这样做有几个问题。首先，硬件通常不能直接访问用户空间。其次，像磁盘这样基于块存储的硬件设备操作的是固定大小的数据块，而用户进程请求的可能是任意大小的或非对齐的数据块。在数据往来于用户空间与存储设备的过程中，内核负责数据的分解、再组合工作，因此充当着中间人的角色。

二、虚拟内存

　　虚拟内存意为使用虚假（或虚拟）地址取代物理（硬件RAM）内存地址。总结起来可分为两大类：
1. 一个以上的虚拟地址可指向同一个物理内存地址。
2. 虚拟内存空间可大于实际可用的硬件内存。
　　前一节提到，设备控制器不能通过 DMA 直接存储到用户空间，把内核空间地址与用户空间的虚拟地址映射到同一个物理地址，这样，DMA 硬件（只能访问物理内存地址）就可以填充对内核与用户空间进程同时可见的缓冲区（见图1-3）。

图 1-3. 内存空间多重映射

三、文件I/O

　　文件 I/O 属文件系统范畴，文件系统与磁盘迥然不同。文件系统是更高层次的抽象，是安排、解释磁盘（或其他随机存取块设备）数据的一种独特方式。所有 I/O 都是通过请求页面调度完成的。页面调度是非常底层的操作，仅发生于磁盘扇区与内存页之间的直接传输。而文件 I/O 则可以任意大小、任意定位。

　　那么，底层的页面调度是如何转换为文件 I/O 的？文件系统把一连串大小一致的数据块组织到一起。有些块存储元信息，如空闲块、目录、索引等的映射，有些包含文件数据。单个文件的元信息描述了哪些块包含文件数据、数据在哪里结束、最后一次更新是什么时候，等等。当用户进程请求读取文件数据时，文件系统需要确定数据具体在磁盘什么位置，然后着手把相关磁盘扇区读进内存。采用分页技术的现代操作系统利用请求页面调度取得所需数据。

　　采用分页技术的操作系统执行 I/O 的全过程可总结为以下几步：

• 确定请求的数据分布在文件系统的哪些页（磁盘扇区组）。磁盘上的文件内容和元数据可能跨越多个文件系统页，而且这些页可能也不连续。
• 在内核空间分配足够数量的内存页，以容纳得到确定的文件系统页。
• 在内存页与磁盘上的文件系统页之间建立映射。
• 为每一个内存页产生页错误。
• 虚拟内存系统俘获页错误，安排页面调入，从磁盘上读取页内容，使页有效。
• 一旦页面调入操作完成，文件系统即对原始数据进行解析，取得所需文件内容或属性信息。

内存映射文件

　　传统的文件 I/O 是通过用户进程发布 read( )和 write( )系统调用来传输数据的。为了在内核空间的文件系统页与用户空间的内存区之间移动数据，一次以上的拷贝操作几乎总是免不了的。这是因为，在文件系统页与用户缓冲区之间往往没有一一对应关系。但是，还有一种大多数操作系统都支持的特殊类型的 I/O 操作，允许用户进程最大限度地利用面向页的系统 I/O 特性，并完全摒弃缓冲区拷贝。这就是内存映射 I/O，如图 1-6 所示。

图 1-6. 用户内存到文件系统页的映射

四、文件锁定

　　文件锁定机制允许一个进程阻止其他进程存取某文件，或限制其存取方式。通常的用途是控制共享信息的更新方式，或用于事务隔离。在控制多个实体并行访问共同资源方面，文件锁定是必不可少的。数据库等复杂应用严重信赖于文件锁定。

　　文件锁定有两种方式：共享的和独占的。多个共享锁可同时对同一文件区域发生作用；独占锁则不同，它要求相关区域不能有其他锁定在起作用。

　　共享锁和独占锁的经典应用，是控制最初用于读取的共享文件的更新。某个进程要读取文件，会先取得该文件或该文件部分区域的共享锁。第二个希望读取相同文件区域的进程也会请求共享锁。两个进程可以并行读取，互不影响。但是，假如有第三个进程要更新该文件，它会请求独占锁。该进程会处于阻滞状态，直到既有锁定（共享的、独占的）全部解除。一旦给予独占锁，其他共享锁的读取进程会处于阻滞状态，直到独占锁解除。这样，更新进程可以更改文件，而其他读取进程不会因为文件的更改得到前后不一致的结果。图 1-7 和图 1-8 描述了这一过程。
图 1-7. 共享锁阻断独占锁请求
图 1-8. 独占锁阻断共享锁请求

五、流I/O

　　并非所有 I/O 都像前几节讲的是面向块的，也有流 I/O，其原理模仿了通道。I/O 字节流必须顺序存取，常见的例子有 TTY（控制台）设备、打印机端口和网络连接。