@huangyichun 2017-08-30T15:43:56.000000Z 字数 5154 阅读 1174

Java I/O的工作机制

I/O

image.png-234.3kB
Java I/O可以分成4组:

基于字节操作的I/O接口:InputStream和OutputStream。
基于字符操作的I/O接口:Writer和Reader。
基于磁盘操作的I/O接口:File
基于网络操作的I/O接口:Socket
前两组主要是传输的数据格式，后两组主要是传输数据的方式。

读和写文件I/O操作都调用操作系统提供的接口，因为磁盘设备是由操作系统管理的，应用程序要访问物理设备只能通过系统调用的方式来工作。

读和写分别对应read()和write()两个系统调用。
只要系统调用就可能存在内核空间和用户空间的地址切换的问题

标准访问文件方式
当用户程序调用read()接口时，操作系统检查内核的高速缓存中有没有需要的数据，如果有，就从缓存中返回，如果没有，则从磁盘中读取，然后缓存在操作系统的缓存中。
当用户的应用程序调用write()接口将数据从用户地址空间复制到内核地址空间的缓存中。这时写操作就已经完成，至于什么时候再写到磁盘中由操作系统决定，除非显示地调用了sync同步命令。

直接I/O方式

所谓的直接I/O方式就是应用程序直接访问磁盘数据，而不经过操作系统内核数据缓冲区，这样做的目的是减少一次从内核缓冲区到用户程序缓存的数据复制。

内存映射的方式

指操作系统将内存中的某一块区域与磁盘中文件关联起来，当要访问内存中的一段数据时，转换为访问文件的某一段数据。这种方式的目的同样是减少数据从内核空间缓存到用户空间缓存的数据复制操作，因为两个空间的数据是共享的。

同步访问文件的方式

异步访问文件的方式

Java访问磁盘文件

数据在磁盘中的唯一最小描述就是文件，因此上层应用程序只能通过文件来操作磁盘上的数据，文件也是操作系统和磁盘驱动器交互的最小单元。
注意: Java中File并不代表一个真实的存在的文件对象，当你指定一个描述符时，它就会返回一个代表这个路径的虚拟对象，这可能是一个真实存在的文件或者是一个包含很多文件目录。
只有当真正要读取这个文件时，例如FileInputStream类都是操作一个文件的接口，注意到在创建FileInputStream对象时会创建一个FileDescriptor对象，其实这个对象就是真正代表一个存在的文件对象的描述。我们可以调用FileDescriptor()方法将操作系统缓存中的数据强制刷新到物理磁盘中。

     public FileInputStream(File file) throws FileNotFoundException {
            String name = (file != null ? file.getPath() : null);
            SecurityManager security = System.getSecurityManager();
            if (security != null) {
                security.checkRead(name);
            }
            if (name == null) {
                throw new NullPointerException();
            }
            if (file.isInvalid()) {
                throw new FileNotFoundException("Invalid file path");
            }
            fd = new FileDescriptor();
            fd.attach(this);
            path = name;
            open(name);
        }

读取磁盘一段文本步骤:

当传入一个文件路径时，将会根据这个路径创建一个File对象来标识这个文件，然后根据这个File对象创建真正读取文件的操作对象，这时将会真正创建一个关联真实存在的磁盘文件的文件描述符FileDescriptor，通过这个对象可以直接控制这个磁盘文件。由于我们需要读取的是字符格式，所以需要StreamDecoder类将byte解码为char格式。至于如从磁盘驱动器上读取一段数据，操作系统会帮我们完成。

TCP状态转换

此处输入图片的描述

注：主动、被动与服务器、客户端没有明确的对应关系。
这个图N多人都知道，它排除和定位网络或系统故障时大有帮助，但是怎样牢牢地将这张图刻在脑中呢？那么你就一定要对这张图的每一个状态，及转换的过程有深刻的认识，不能只停留在一知半解之中。下面对这张图的11种状态详细解析一下，以便加强记忆！不过在这之前，先回顾一下TCP建立连接的三次握手过程，以及关闭连接的四次握手过程。

1、建立连接协议（三次握手）

（1）客户端发送一个带SYN标志的TCP报文到服务器。这是三次握手过程中的报文1。
（2）服务器端回应客户端的，这是三次握手中的第2个报文，这个报文同时带ACK标志和SYN标志。因此它表示对刚才客户端SYN报文的回应；同时又标志SYN给客户端，询问客户端是否准备好进行数据通讯。
（3）客户必须再次回应服务段一个ACK报文，这是报文段3。

2、连接终止协议（四次握手）

　　由于TCP连接是全双工的，因此每个方向都必须单独进行关闭。这原则是当一方完成它的数据发送任务后就能发送一个FIN来终止这个方向的连接。收到一个 FIN只意味着这一方向上没有数据流动，一个TCP连接在收到一个FIN后仍能发送数据。首先进行关闭的一方将执行主动关闭，而另一方执行被动关闭。

（1） TCP客户端发送一个FIN，用来关闭客户到服务器的数据传送（报文段4）。
（2）服务器收到这个FIN，它发回一个ACK，确认序号为收到的序号加1（报文段5）。和SYN一样，一个FIN将占用一个序号。
（3）服务器关闭客户端的连接，发送一个FIN给客户端（报文段6）。
（4）客户段发回ACK报文确认，并将确认序号设置为收到序号加1（报文段7）。

CLOSED: 这个没什么好说的了，表示初始状态。
LISTEN: 这个也是非常容易理解的一个状态，表示服务器端的某个SOCKET处于监听状态，可以接受连接了。
SYN_RCVD:
这个状态表示接受到了SYN报文，在正常情况下，这个状态是服务器端的SOCKET在建立TCP连接时的三次握手会话过程中的一个中间状态，很短暂，基本上用netstat你是很难看到这种状态的，除非你特意写了一个客户端测试程序，故意将三次TCP握手过程中最后一个ACK报文不予发送。因此这种状态时，当收到客户端的ACK报文后，它会进入到ESTABLISHED状态。
SYN_SENT:这个状态与SYN_RCVD遥想呼应，当客户端SOCKET执行CONNECT连接时，它首先发送SYN报文，因此也随即它会进入到了SYN_SENT状态，并等待服务端的发送三次握手中的第2个报文。SYN_SENT状态表示客户端已发送SYN报文。

ESTABLISHED：这个容易理解了，表示连接已经建立了。

FIN_WAIT_1: 这个状态要好好解释一下，其实FIN_WAIT_1和FIN_WAIT_2状态的真正含义都是表示等待对方的FIN报文。而这两种状态的区别是：FIN_WAIT_1状态实际上是当SOCKET在ESTABLISHED状态时，它想主动关闭连接，向对方发送了FIN报文，此时该SOCKET即进入到FIN_WAIT_1状态。而当对方回应ACK报文后，则进入到FIN_WAIT_2状态，当然在实际的正常情况下，无论对方何种情况下，都应该马上回应ACK报文，所以FIN_WAIT_1状态一般是比较难见到的，而FIN_WAIT_2状态还有时常常可以用netstat看到。
FIN_WAIT_2：上面已经详细解释了这种状态，实际上FIN_WAIT_2状态下的SOCKET，表示半连接，也即有一方要求close连接，但另外还告诉对方，我暂时还有点数据需要传送给你，稍后再关闭连接。
TIME_WAIT:表示收到了对方的FIN报文，并发送出了ACK报文，就等2MSL后即可回到CLOSED可用状态了。如果FIN_WAIT_1状态下，收到了对方同时带FIN标志和ACK标志的报文时，可以直接进入到TIME_WAIT状态，而无须经过FIN_WAIT_2状态。
CLOSING: 这种状态比较特殊，实际情况中应该是很少见，属于一种比较罕见的例外状态。正常情况下，当你发送FIN报文后，按理来说是应该先收到（或同时收到）对方的ACK报文，再收到对方的FIN报文。但是CLOSING状态表示你发送FIN报文后，并没有收到对方的ACK报文，反而却也收到了对方的FIN报文。什么情况下会出现此种情况呢？其实细想一下，也不难得出结论：那就是如果双方几乎在同时close一个SOCKET的话，那么就出现了双方同时发送FIN报文的情况，也即会出现CLOSING状态，表示双方都正在关闭SOCKET连接。
CLOSE_WAIT:这种状态的含义其实是表示在等待关闭。怎么理解呢？当对方close一个SOCKET后发送FIN报文给自己，你系统毫无疑问地会回应一个ACK报文给对方，此时则进入到CLOSE_WAIT状态。接下来呢，实际上你真正需要考虑的事情是察看你是否还有数据发送给对方，如果没有的话，那么你也就可以close这个SOCKET，发送FIN报文给对方，也即关闭连接。所以你在CLOSE_WAIT状态下，需要完成的事情是等待你去关闭连接。
LAST_ACK:这个状态还是比较容易好理解的，它是被动关闭一方在发送FIN报文后，最后等待对方的ACK报文。当收到ACK报文后，也即可以进入到CLOSED可用状态了。

最后有2个问题的回答，我自己分析后的结论（不一定保证100%正确）

1、为什么建立连接协议是三次握手，而关闭连接却是四次握手呢？这
是因为服务端的LISTEN状态下的SOCKET当收到SYN报文的建连请求后，它可以把ACK和SYN（ACK起应答作用，而SYN起同步作用）放在一个报文里来发送。但关闭连接时，当收到对方的FIN报文通知时，它仅仅表示对方没有数据发送给你了；但未必你所有的数据都全部发送给对方了，所以你可以未必会马上会关闭SOCKET,也即你可能还需要发送一些数据给对方之后，再发送FIN报文给对方来表示你同意现在可以关闭连接了，所以它这里的ACK报文和FIN报文多数情况下都是分开发送的。

建立连接的过程是利用客户服务器模式，假设主机A为客户端，主机B为服务器端。

（1）TCP的三次握手过程：主机A向B发送连接请求；主机B对收到的主机A的报文段进行确认；主机A再次对主机B的确认进行确认。

（2）采用三次握手是为了防止失效的连接请求报文段突然又传送到主机B，因而产生错误。失效的连接请求报文段是指：主机A发出的连接请求没有收到主机B的确认，于是经过一段时间后，主机A又重新向主机B发送连接请求，且建立成功，顺序完成数据传输。考虑这样一种特殊情况，主机A第一次发送的连接请求并没有丢失，而是因为网络节点导致延迟达到主机B，主机B以为是主机A又发起的新连接，于是主机B同意连接，并向主机A发回确认，但是此时主机A根本不会理会，主机B就一直在等待主机A发送数据，导致主机B的资源浪费。

（3）采用两次握手不行，原因就是上面说的实效的连接请求的特殊情况。

2、为什么TIME_WAIT状态还需要等2MSL后才能返回到CLOSED状态？
这是因为：虽然双方都同意关闭连接了，而且握手的4个报文也都协调和发送完毕，按理可以直接回到CLOSED状态（就好比从SYN_SEND状态到ESTABLISH状态那样）；但是因为我们必须要假想网络是不可靠的，你无法保证你最后发送的ACK报文会一定被对方收到，因此对方处于LAST_ACK状态下的SOCKET可能会因为超时未收到ACK报文，而重发FIN报文，所以这个TIME_WAIT状态的作用就是用来重发可能丢失的ACK报文。

同时打开

两个应用程序同时执行主动打开的情况是可能的，虽然发生的可能性较低。每一端都发送一个SYN,并传递给对方，且每一端都使用对端所知的端口作为本地端口。例如：主机a中一应用程序使用7777作为本地端口，并连接到主机b 8888端口做主动打开。主机b中一应用程序使用8888作为本地端口，并连接到主机a 7777端口做主动打开。tcp协议在遇到这种情况时，只会打开一条连接。这个连接的建立过程需要4次数据交换，而一个典型的连接建立只需要3次交换（即3次握手）但多数伯克利版的tcp/ip实现并不支持同时打开。
此处输入图片的描述
SYN_RCVD与SYN_SEND都是转换为ESTABLISHED的中间状态，目标是两端均转换到ESTABLISHED状态。

同时关闭

如果应用程序同时发送FIN，则在发送后会首先进入FIN_WAIT_1状态。在收到对端的FIN后，回复一个ACK，会进入CLOSING状态。在收到对端的ACK后，进入TIME_WAIT状态。这种情况称为同时关闭。同时关闭也需要有4次报文交换，与典型的关闭相同。
此处输入图片的描述