NIO需要了解的一些概念
幾個(gè)概念：
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(zhǎng)度數(shù)組，封裝在包含狀態(tài)信息的對(duì)象中，存入緩沖區(qū)。緩沖區(qū)提供了一個(gè)會(huì)合點(diǎn)：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)供讀取（讀）。此外，還有一種特殊類型的緩沖區(qū)，用于內(nèi)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(duì)象模擬了通信連接，管道既可以是單向的（進(jìn)或出），也可以是雙向的（進(jìn)和出）。可以把通道想象成連接緩沖區(qū)和 I/O 服務(wù)的捷徑
文件鎖定和內(nèi)存映射文件（File locking and memory-mapped files）
新的 FileChannel 對(duì)象包含在 java.nio.channels 軟件包內(nèi)，提供許多面向文件的新特 性，其中最有趣的兩個(gè)是文件鎖定和內(nèi)存映射文件。
在多個(gè)進(jìn)程協(xié)同工作的情況下，要協(xié)調(diào)各個(gè)進(jìn)程對(duì)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(nèi)存，這樣在您看來，磁盤上的文件數(shù)據(jù)就像是在內(nèi)存中一樣。這利用了操作系統(tǒng)的虛擬內(nèi)存功能，無需在內(nèi)存中實(shí)際保留一份文件的拷貝，就可實(shí)現(xiàn)文件內(nèi)容的動(dòng)態(tài)高速緩存。
套接字（Sockets）
套接字通道類為使用網(wǎng)絡(luò)套接字實(shí)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(gè)套接字可實(shí)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(gè)新套接字通道，即 ServerSocketChannel、SocketChannel 和 DatagramChannel
選擇器（Selectors）
選擇器可實(shí)現(xiàn)就緒性選擇。Selector 類提供了確定一或多個(gè)通道當(dāng)前狀態(tài)的機(jī)制。使用選擇 器，借助單一線程，就可對(duì)數(shù)量龐大的活動(dòng) I/O 通道實(shí)施監(jiān)控和維護(hù)。
正則表達(dá)式（Regular expressions）
新增的 java.util.regex 軟件包將類似 Perl 語言的正則表達(dá)式處理機(jī)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(dá)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(xì)說明。雖然它在許多方面與 NIO 的其他組成部分缺乏平行關(guān)系，但它在文件處理等眾多領(lǐng)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(guān)系。您可以對(duì)字符轉(zhuǎn)換映射方式進(jìn)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(xì)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(nèi)核空間的概念。用戶空間是常規(guī)進(jìn)程所在區(qū)域。JVM 就是常規(guī)進(jìn)程，駐守于用戶空間。用戶空間是非特權(quán)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(shè)備。內(nèi)核空間是操作系統(tǒng)所在區(qū)域。內(nèi)核代碼有特別的權(quán)力：它能與設(shè)備控制器通訊，控制著用戶區(qū)域進(jìn)程的運(yùn)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(nèi)核空間。
當(dāng)進(jìn)程請(qǐng)求 I/O 操作的時(shí)候，它執(zhí)行一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用（有時(shí)稱為陷阱）將控制權(quán)移交給內(nèi)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(dāng) 的系統(tǒng)調(diào)用。當(dāng)內(nèi)核以這種方式被調(diào)用，它隨即采取任何必要步驟，找到進(jìn)程所需數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送到用戶空間內(nèi)的指定緩沖區(qū)。內(nèi)核試圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速緩存或預(yù)讀取，因此進(jìn)程所需數(shù)據(jù)可能已經(jīng)在內(nèi)核空間里了。如果是這樣，該數(shù)據(jù)只需簡(jiǎn)單地拷貝出來即可。如果數(shù)據(jù)不在內(nèi)核空間，則進(jìn)程被掛起，內(nèi)核著手把數(shù)據(jù)讀進(jìn)內(nèi)存。
看了圖 1-1，您可能會(huì)覺得，把數(shù)據(jù)從內(nèi)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(gè)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(chǔ)的硬件設(shè)備操作的是固定大小的數(shù)據(jù)塊，而用戶進(jìn)程請(qǐng)求的可能是任意大小的或非對(duì)齊的數(shù)據(jù)塊。在數(shù)據(jù)往來于用戶空間與存儲(chǔ)設(shè)備的過程中，內(nèi)核負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分解、再組合工作，因此充當(dāng)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(jìn)行得更加高效。根據(jù)發(fā)散／匯聚的概念，進(jìn)程只需一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，就能把一連串緩沖區(qū)地址傳遞給操作系統(tǒng)。然后，內(nèi)核就可以順序填充或排干多個(gè)緩沖區(qū)，讀的時(shí)候就把數(shù)據(jù)發(fā)散到多個(gè)用戶空間緩沖區(qū)，寫的時(shí)候再從多個(gè)緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)匯聚起來這樣用戶進(jìn)程就不必多次執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用（那樣做可能代價(jià)不菲），內(nèi)核也可以優(yōu)化數(shù)據(jù)的處理過程，因?yàn)樗颜莆沾齻鬏敂?shù)據(jù)的全部信息。如果系統(tǒng)配有多個(gè) CPU，甚至可以同時(shí)填充或排干多個(gè)緩沖區(qū)。
虛擬內(nèi)存
所有現(xiàn)代操作系統(tǒng)都使用虛擬內(nèi)存。虛擬內(nèi)存意為使用虛假（或虛擬）地址取代物理（硬件RAM）內(nèi)存地址。這樣做好處頗多，總結(jié)起來可分為兩大類：
1. 一個(gè)以上的虛擬地址可指向同一個(gè)物理內(nèi)存地址。
2. 虛擬內(nèi)存空間可大于實(shí)際可用的硬件內(nèi)存。
設(shè)備控制器不能通過 DMA 直接存儲(chǔ)到用戶空間，但通過利用上面提到的***項(xiàng)，則可以達(dá)到相同效果。把內(nèi)核空間地址與用戶空間的虛擬地址映射到同一個(gè)物理地址，這樣，DMA 硬件（只能訪問物理內(nèi)存地址）就可以填充對(duì)內(nèi)核與用戶空間進(jìn)程同時(shí)可見的緩沖區(qū)
如圖，進(jìn)程虛擬內(nèi)存和內(nèi)核虛擬內(nèi)存映射到的物理地址都一樣，這樣DMA寫到實(shí)際的物理內(nèi)存后，兩個(gè)緩沖區(qū)指向的物理地址都一樣，那么他們就同時(shí)能訪問到數(shù)據(jù)了。
但前提條件是，內(nèi)核與用戶緩沖區(qū)必須使用相同的頁對(duì)齊，緩沖區(qū)的大小還必須是磁盤控制器塊大小（通常為 512 字節(jié)磁盤扇區(qū)）的倍數(shù)。操作系統(tǒng)把內(nèi)存地址空間劃分為頁，即固定大小的字節(jié)組。內(nèi)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(jiǎn)化尋址操作）。典型的內(nèi)存頁為 1,024、2,048 和 4,096 字節(jié)。虛擬和物理內(nèi)存頁的大小總是相同的。
如上圖顯示了來自多個(gè)虛擬地址的虛擬內(nèi)存頁是如何映射到物理內(nèi)。
內(nèi)存頁面調(diào)度
為了支持虛擬內(nèi)存的第二個(gè)特性（尋址空間大于物理內(nèi)存），就必須進(jìn)行虛擬內(nèi)存分頁（經(jīng)常稱為交換，雖然真正的交換是在進(jìn)程層面完成，而非頁層面）。依照該方案，虛擬內(nèi)存空間的頁面能夠繼續(xù)存在于外部磁盤存儲(chǔ)，這樣就為物理內(nèi)存中的其他虛擬頁面騰出了空間。從本質(zhì)上說，物理內(nèi)存充當(dāng)了分頁區(qū)的高速緩存；而所謂分頁區(qū)，即從物理內(nèi)存置換出來，轉(zhuǎn)而存儲(chǔ)于磁盤上的內(nèi)存頁面。
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