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Java基础（补充）

2022-03-07 分类：野生技术 阅读(318) 评论(0)

为什么 Java 中只有值传递？

开始之前，我们先来搞懂下面这两个概念：

  • 形参&实参
  • 值传递&引用传递

形参&实参

方法的定义可能会用到 参数（有参的方法），参数在程序语言中分为：

  • 实参（实际参数） ：用于传递给函数/方法的参数，必须有确定的值。
  • 形参（形式参数） ：用于定义函数/方法，接收实参，不需要有确定的值。
String hello = \"Hello!\";
// hello 为实参
sayHello(hello);
// str 为形参
void sayHello(String str) {
    System.out.println(str);
}

值传递&引用传递

程序设计语言将实参传递给方法（或函数）的方式分为两种：

  • 值传递 ：方法接收的是实参值的拷贝，会创建副本。
  • 引用传递 ：方法接收的直接是实参所引用的对象在堆中的地址，不会创建副本，对形参的修改将影响到实参。

很多程序设计语言（比如 C++、 Pascal )提供了两种参数传递的方式，不过，在 Java 中只有值传递。

为什么 Java 只有值传递？

为什么说 Java 只有值传递呢？ 不需要太多废话，我通过 3 个例子来给大家证明。

案例1：传递基本类型参数

代码：

public static void main(String[] args) {
    int num1 = 10;
    int num2 = 20;
    swap(num1, num2);
    System.out.println(\"num1 = \" + num1);
    System.out.println(\"num2 = \" + num2);
}

public static void swap(int a, int b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
    System.out.println(\"a = \" + a);
    System.out.println(\"b = \" + b);
}

输出：

a = 20
b = 10
num1 = 10
num2 = 20

解析：

在 swap() 方法中，a、b 的值进行交换，并不会影响到 num1、num2。因为，a、b 的值，只是从 num1、num2 的复制过来的。也就是说，a、b 相当于 num1、num2 的副本，副本的内容无论怎么修改，都不会影响到原件本身。

通过上面例子，我们已经知道了一个方法不能修改一个基本数据类型的参数，而对象引用作为参数就不一样，请看案例2。

案例2：传递引用类型参数1

代码：

    public static void main(String[] args) {
      int[] arr = { 1, 2, 3, 4, 5 };
      System.out.println(arr[0]);
      change(arr);
      System.out.println(arr[0]);
    }

    public static void change(int[] array) {
      // 将数组的第一个元素变为0
      array[0] = 0;
    }

输出：

1
0Copy to clipboardErrorCopied

解析：

看了这个案例很多人肯定觉得 Java 对引用类型的参数采用的是引用传递。

实际上，并不是的，这里传递的还是值，不过，这个值是实参的地址罢了！

也就是说 change 方法的参数拷贝的是 arr （实参）的地址，因此，它和 arr 指向的是同一个数组对象。这也就说明了为什么方法内部对形参的修改会影响到实参。

为了更强有力地反驳 Java 对引用类型的参数采用的不是引用传递，我们再来看下面这个案例！

案例3 ：传递引用类型参数2

public class Person {
    private String name;
   // 省略构造函数、Getter&Setter方法
}

public static void main(String[] args) {
    Person xiaoZhang = new Person(\"小张\");
    Person xiaoLi = new Person(\"小李\");
    swap(xiaoZhang, xiaoLi);
    System.out.println(\"xiaoZhang:\" + xiaoZhang.getName());
    System.out.println(\"xiaoLi:\" + xiaoLi.getName());
}

public static void swap(Person person1, Person person2) {
    Person temp = person1;
    person1 = person2;
    person2 = temp;
    System.out.println(\"person1:\" + person1.getName());
    System.out.println(\"person2:\" + person2.getName());
}

输出:

person1:小李
person2:小张
xiaoZhang:小张
xiaoLi:小李

解析：

怎么回事？？？两个引用类型的形参互换并没有影响实参啊！

swap 方法的参数 person1 和 person2 只是拷贝的实参 xiaoZhang和 xiaoLi 的地址。因此， person1 和 person2 的互换只是拷贝的两个地址的互换罢了，并不会影响到实参 xiaoZhang 和 xiaoLi 。

总结

Java 中将实参传递给方法（或函数）的方式是 值传递 ：

  • 如果参数是基本类型的话，很简单，传递的就是基本类型的字面量值的拷贝，会创建副本。
  • 如果参数是引用类型，传递的就是实参所引用的对象在堆中地址值的拷贝，同样也会创建副本。

I/O

何为 I/O?

I/O（Input/Outpu） 即输入／输出 。

我们先从计算机结构的角度来解读一下 I/O。

根据冯.诺依曼结构，计算机结构分为 5 大部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

冯诺依曼体系结构

输入设备（比如键盘）和输出设备（比如显示器）都属于外部设备。网卡、硬盘这种既可以属于输入设备，也可以属于输出设备。

输入设备向计算机输入数据，输出设备接收计算机输出的数据。

从计算机结构的视角来看的话， I/O 描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程。

我们再先从应用程序的角度来解读一下 I/O。

根据大学里学到的操作系统相关的知识：为了保证操作系统的稳定性和安全性，一个进程的地址空间划分为 用户空间（User space） 和 内核空间（Kernel space ） 。

像我们平常运行的应用程序都是运行在用户空间，只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关的操作，比如文件管理、进程通信、内存管理等等。也就是说，我们想要进行 IO 操作，一定是要依赖内核空间的能力。

并且，用户空间的程序不能直接访问内核空间。

当想要执行 IO 操作时，由于没有执行这些操作的权限，只能发起系统调用请求操作系统帮忙完成。

因此，用户进程想要执行 IO 操作的话，必须通过 系统调用 来间接访问内核空间

我们在平常开发过程中接触最多的就是 磁盘 IO（读写文件） 和 网络 IO（网络请求和响应）。

从应用程序的视角来看的话，我们的应用程序对操作系统的内核发起 IO 调用（系统调用），操作系统负责的内核执行具体的 IO 操作。也就是说，我们的应用程序实际上只是发起了 IO 操作的调用而已，具体 IO 的执行是由操作系统的内核来完成的。

当应用程序发起 I/O 调用后，会经历两个步骤：

  1. 内核等待 I/O 设备准备好数据
  2. 内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。

有哪些常见的 IO 模型?

UNIX 系统下， IO 模型一共有 5 种： 同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路复用、信号驱动 I/O 和异步 I/O。

这也是我们经常提到的 5 种 IO 模型。

Java 中 3 种常见 IO 模型

BIO (Blocking I/O)

BIO 属于同步阻塞 IO 模型 。

同步阻塞 IO 模型中，应用程序发起 read 调用后，会一直阻塞，直到内核把数据拷贝到用户空间。

图源：《深入拆解Tomcat & Jetty》

在客户端连接数量不高的情况下，是没问题的。但是，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的 BIO 模型是无能为力的。因此，我们需要一种更高效的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。

NIO (Non-blocking/New I/O)

Java 中的 NIO 于 Java 1.4 中引入，对应 java.nio 包，提供了 Channel, Selector，Buffer 等抽象。NIO 中的 N 可以理解为 Non-blocking，不单纯是 New。它是支持面向缓冲的，基于通道的 I/O 操作方法。 对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用 NIO 。

Java 中的 NIO 可以看作是 I/O 多路复用模型。也有很多人认为，Java 中的 NIO 属于同步非阻塞 IO 模型。

跟着我的思路往下看看，相信你会得到答案！

我们先来看看 同步非阻塞 IO 模型。

图源：《深入拆解Tomcat & Jetty》

同步非阻塞 IO 模型中，应用程序会一直发起 read 调用，等待数据从内核空间拷贝到用户空间的这段时间里，线程依然是阻塞的，直到在内核把数据拷贝到用户空间。

相比于同步阻塞 IO 模型，同步非阻塞 IO 模型确实有了很大改进。通过轮询操作，避免了一直阻塞。

但是，这种 IO 模型同样存在问题：应用程序不断进行 I/O 系统调用轮询数据是否已经准备好的过程是十分消耗 CPU 资源的。

这个时候，I/O 多路复用模型 就上场了。

img

IO 多路复用模型中，线程首先发起 select 调用，询问内核数据是否准备就绪，等内核把数据准备好了，用户线程再发起 read 调用。read 调用的过程（数据从内核空间 -> 用户空间）还是阻塞的。

目前支持 IO 多路复用的系统调用，有 select，epoll 等等。select 系统调用，目前几乎在所有的操作系统上都有支持。

  • select 调用 ：内核提供的系统调用，它支持一次查询多个系统调用的可用状态。几乎所有的操作系统都支持。
  • epoll 调用 ：linux 2.6 内核，属于 select 调用的增强版本，优化了 IO 的执行效率。

IO 多路复用模型，通过减少无效的系统调用，减少了对 CPU 资源的消耗。

Java 中的 NIO ，有一个非常重要的选择器 ( Selector ) 的概念，也可以被称为 多路复用器。通过它，只需要一个线程便可以管理多个客户端连接。当客户端数据到了之后，才会为其服务。

img

AIO (Asynchronous I/O)

AIO 也就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步 IO 模型。

异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

img

目前来说 AIO 的应用还不是很广泛。Netty 之前也尝试使用过 AIO，不过又放弃了。这是因为，Netty 使用了 AIO 之后，在 Linux 系统上的性能并没有多少提升。

最后，来一张图，简单总结一下 Java 中的 BIO、NIO、AIO。

img

参考

值传递

  • 《Java 核心技术卷 Ⅰ》基础知识第十版第四章 4.5 小节
  • Java 到底是值传递还是引用传递？ - Hollis的回答 - 知乎

I/O

  • 《深入拆解 Tomcat & Jetty》
  • 如何完成一次 IO：https://llc687.top/post/如何完成一次-io/
  • 程序员应该这样理解 IO：https://www.jianshu.com/p/fa7bdc4f3de7
  • 10 分钟看懂， Java NIO 底层原理：https://www.cnblogs.com/crazymakercircle/p/10225159.html
  • IO 模型知多少 | 理论篇：https://www.cnblogs.com/sheng-jie/p/how-much-you-know-about-io-models.html
  • 《UNIX 网络编程 卷 1；套接字联网 API 》6.2 节 IO 模型

面试题

  • 为什么 Java 中只有值传递？
  • 谈谈你对IO的理解？BIO、NIO、AIO？

来源：https://www.cnblogs.com/Ghostface/p/15966696.html
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