Android进阶之从IO到NIO的模型机制演进

引言

其实IO操作相较于服务端，客户端做的并不多，基本的场景就是读写文件的时候会使用到InputStream或者OutputStream，然而客户端能做的就是发起一个读写的指令，真正的操作是内核层通过ioctl指令执行读写操作，因为每次的IO操作都涉及到了线程的操作，因此会有性能上的损耗，那么从本篇文章开始，我们将进入IO的世界，了解IO到NIO机制的演进，从底层关注序列化的原理。

1 Basic IO模型

那么在Java（Kotlin）中，IO主要分为两种：Basic IO 和 Net IO；Basic IO是我们在开发当中常用的一些IO流，例如：

FileInputStream：//文件输入流
FileOutputStream：//文件输出流
BufferedInputStream：//缓存字节输入流
BufferedOutputStream：//缓存字节输入流，此类数据流为了提高读写效率，可以缓存数据到buffer，通过flush一起写入；内核分配内存为一页4K，但是Java缓冲区默认是8K
ObjectInputStream
ObjectOutputStream：// 将数据序列化处理
RandomAccessFile：//提供位移数据插入

对于前面的几个数据流，我就不介绍用法了，对于最后一个RandomAccessFile，我想简单介绍一下，因为很多伙伴们可能不知道RandomAccessFile的存在，这里曾经有个面试题：

假设有一个5G的文件，我想在文章的末尾追加一段话，我该怎么处理？或者我指定任意位置添加一部分文字内容，该怎么处理？

很多伙伴看到这个问题之后，一拍脑门说：先通过FileInputStream把文件读写进来，然后再在末尾追加一部分内容组合成新的字节流，然后再通过FileOutputStream写入到新的文件中。

完蛋，直接pass掉！因为前提这里已经是5G的文件了，如果通过FileInputStream读写，大概率就会直接OOM! 所以如果知道RandomAccessFile的存在，这些就不是问题了。

fun testAccessFile() {
    //file文件
    val file = File("/storage/emulated/0/NewTextFile.txt")
    val accessFile = RandomAccessFile(file, "rw")
    //先写一段
    val text = "IO主要分为两种：Basic IO 和 Net IO；"
    accessFile.write(text.toByteArray())
    //再等5s
    Thread.sleep(5000)
    accessFile.seek(5)
    accessFile.write("seek to pos 5".toByteArray())
    accessFile.close()
}

首先我们常见一个RandomAccessFile，传入要读写的文件，首先写入一段话，然后等到5s后，调用RandomAccessFile的seek方法，此时指针就是移动到了文件第五个字符的位置，然后又写入了一些文字。

所以按照这种思想，回到前面的问题，即便是5G的文件，也不需要进行读写操作获取之前的全部数据就能够实现零内存追加；当然还有一个场景也会经常用到，就是断点续传。

1.1 RandomAccessFile的缓冲区和BufferedInputStream缓冲区的区别

首先我先简单介绍下BufferedInputStream的缓存区效果，系统内核缓存区默认为4K，当缓存区满4K之后会进行磁盘的写入；那么在Java中是对其做了优化处理，将缓存区变为8K，当缓存区超过8K之后，会将数据复制给到内核缓存。

fun testBuffer() {
        val file = File("/storage/emulated/0/NewTextFile.txt")
        val bis = BufferedOutputStream(FileOutputStream(file))
        val text = "8888888888888888".toByteArray()
        bis.write(text, 0, text.size)
//        bis.flush()
    }

例如上面的案例，此时App的内存缓存区没有满，那么如果不调用flush，那么数据不会写到磁盘文件中，只有当缓冲区满了之后，才会复制到内核空间缓存区。

fun testAccessFile() {
    //file文件
    val file = File("/storage/emulated/0/NewTextFile.txt")
    val accessFile = RandomAccessFile(file, "rw")
    //先写一段
    val text = "IO主要分为两种：Basic IO 和 Net IO；"
    accessFile.write(text.toByteArray())
    //再等5s
    Thread.sleep(5000)
    accessFile.seek(5)
    val channel = accessFile.channel
    val mapper = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, channel.position(), channel.size())
    mapper.put("seek to pos 5".toByteArray())
}

如果按照BufferedOutputStream的思想，我们往缓冲区写数据，没有flush就不会有复制的操作，那么我们实际看到的是数据还是写进去了。

其实MappedByteBuffer，是提供了一个类似于mmap性质的能力，实现了App缓冲区与内核缓冲区的桥接或者映射。

当App写入缓存数据的时候，直接映射到了内核缓存区，完成了磁盘的读写操作。

1.2 Basic IO模型底层原理

其实对于基础的IO模型，也就是Basic IO的实现是阻塞的，其实我们也可以自己验证，在主线程中进行读写操作就是阻塞的。

那么对于IO来说，主要分为两个阶段：

（1）数据准备阶段；这里是由Java实现的，写入到JVM中；

（2）复制阶段；内核空间复制用户空间缓存数据，这部分需要调用内核函数（ioctl、sync），完成复制的工作。

剩下的磁盘写入操作就完全是由内核完成的，如果对于读写操作有疑问的，可以去看看下面这篇对于Binder底层原理的介绍。

Android Framework原理 -- Binder驱动源码分析

对于传统的Socket来说，这种属于Net IO，本质也是阻塞性质的，例如App进程想要获取一些数据，

上图展示了read操作的整个调度过程：

（1）当App调用系统方法想要获取某些数据的时候，首先系统内核会等待数据从网络中到达，这个过程内核处于阻塞的状态；

（2）等到数据到达之后，就会将网络数据复制到用户空间的缓冲区中，并通知App进程复制数据成功，此时App中其他业务才能够继续执行。

所以整个过程中，App处于阻塞状态，而在高并发的场景中（客户端很少，这里拿服务端来举例），例如10000QPS（每秒10000次查询操作），此时如果采用IO阻塞模型，带来的后果就是CPU极速拉满最终可能导致熔断，所以针对这种情况，出现了NIO模型。

2 NIO模型

相对于IO模型来说，NIO模型做的优化是通过轮询机制获取内核的数据等待状态，看下图：

当一次询问发出之后，如果当前内核还是数据等待状态，那么内核空间会被”挂起“，此时App进程可以做其他的事情，等到下一次轮询时间到了之后，再次发起询问，如果此时已经拿到了数据，那么就会进行复制操作，将数据放入用户进程缓冲区。

那么对此，java.nio包下提供了很多非阻塞IO的API，例如我们前面提到的MappedByteBuffer。其实还是前面我们探讨的一个问题，在Android的场景下，很难碰到高并发的场景，所以基本上也很难用到这个，但是对于NIO模型的原理我们需要掌握透彻，在面试中可能会涉及到这些问题。

3 OKIO

最后介绍一个IO模型---OKIO，如果使用到OkHttp的伙伴们应该已经见到过这个，但是没有实际地去研究，为啥要引入这个okio三方库。

首先okio是OkHttp团队基于Basic IO研发的一套自己的IO体系，为啥要搞一个这个玩意出来呢？通过前面我们分析Basic IO存在的一些问题，首先 Basic IO是阻塞的，而且在客户端端如果频繁地进行网络请求，而且网络请求是双向的，从客户端发出请求，服务端返回响应，那么这个过程必定会使用到InputStream和OutputStream。

因为OkHttp是有自己的缓存策略的，如果使用到缓存，那么对于InputStream就需要一个buffer，对于OutputStream也需要一个buffer，每次读写操作都需要两个buffer来做支撑，因此针对这种场景，okio在底层做了处理。

具体的处理就是不再使用byte[]数组存储数据，而是采用Segment数据结构。有熟悉Segment的伙伴应该知道，它是一个数组的双向链表，其中data就是一个byte数组，其中有next和pre两个指针。

internal class Segment {
  @JvmField val data: ByteArray
  /** The next byte of application data byte to read in this segment.  */
  @JvmField var pos: Int = 0
  /** The first byte of available data ready to be written to.  */
  @JvmField var limit: Int = 0
  /** True if other segments or byte strings use the same byte array.  */
  @JvmField var shared: Boolean = false
  /** True if this segment owns the byte array and can append to it, extending `limit`.  */
  @JvmField var owner: Boolean = false
  /** Next segment in a linked or circularly-linked list.  */
  @JvmField var next: Segment? = null
  /** Previous segment in a circularly-linked list.  */
  @JvmField var prev: Segment? = null

当进行读写操作的时候，都会往Segment中写入，就是将InputStream和OutputStream需要创建的缓冲区合并。

这里需要说明一点，okio属于OkHttp内部核心IO框架，并不是单独拿出来任意业务方可以使用，所以对于okio的具体实现原理，后续会放在OkHttp框架原理中做详细的介绍。