Java I/O 模型

BIO

BIO（blocking IO）即阻塞 IO。指的主要是传统的 java.io 包，它基于流模型实现。

BIO 简介

java.io 包提供了我们最熟知的一些 IO 功能，比如 File 抽象、输入输出流等。交互方式是同步、阻塞的方式，也就是说，在读取输入流或者写入输出流时，在读、写动作完成之前，线程会一直阻塞在那里，它们之间的调用是可靠的线性顺序。

很多时候，人们也把 java.net 下面提供的部分网络 API，比如 Socket、ServerSocket、HttpURLConnection 也归类到同步阻塞 IO 类库，因为网络通信同样是 IO 行为。

BIO 的优点是代码比较简单、直观；缺点则是 IO 效率和扩展性存在局限性，容易成为应用性能的瓶颈。

BIO 的性能缺陷

BIO 会阻塞进程，不适合高并发场景。

采用 BIO 的服务端，通常由一个独立的 Acceptor 线程负责监听客户端连接。服务端一般在while(true) 循环中调用 accept() 方法等待客户端的连接请求，一旦接收到一个连接请求，就可以建立 Socket，并基于这个 Socket 进行读写操作。此时，不能再接收其他客户端连接请求，只能等待当前连接的操作执行完成。

如果要让 BIO 通信模型 能够同时处理多个客户端请求，就必须使用多线程（主要原因是socket.accept()、socket.read()、socket.write() 涉及的三个主要函数都是同步阻塞的），但会造成不必要的线程开销。不过可以通过 线程池机制 改善，线程池还可以让线程的创建和回收成本相对较低。

即使可以用线程池略微优化，但是会消耗宝贵的线程资源，并且在百万级并发场景下也撑不住。如果并发访问量增加会导致线程数急剧膨胀可能会导致线程堆栈溢出、创建新线程失败等问题，最终导致进程宕机或者僵死，不能对外提供服务。

NIO

NIO（non-blocking IO）即非阻塞 IO。指的是 Java 1.4 中引入的 java.nio 包。

为了解决 BIO 的性能问题， Java 1.4 中引入的 java.nio 包。NIO 优化了内存复制以及阻塞导致的严重性能问题。

java.nio 包提供了 Channel、Selector、Buffer 等新的抽象，可以构建多路复用的、同步非阻塞 IO 程序，同时提供了更接近操作系统底层的高性能数据操作方式。

NIO 有哪些性能优化点呢？

使用缓冲区优化读写流

NIO 与传统 I/O 不同，它是基于块（Block）的，它以块为基本单位处理数据。在 NIO 中，最为重要的两个组件是缓冲区（Buffer）和通道（Channel）。

Buffer 是一块连续的内存块，是 NIO 读写数据的缓冲。Buffer 可以将文件一次性读入内存再做后续处理，而传统的方式是边读文件边处理数据。Channel 表示缓冲数据的源头或者目的地，它用于读取缓冲或者写入数据，是访问缓冲的接口。

使用 DirectBuffer 减少内存复制

NIO 还提供了一个可以直接访问物理内存的类 DirectBuffer。普通的 Buffer 分配的是 JVM 堆内存，而 DirectBuffer 是直接分配物理内存。

数据要输出到外部设备，必须先从用户空间复制到内核空间，再复制到输出设备，而 DirectBuffer 则是直接将步骤简化为从内核空间复制到外部设备，减少了数据拷贝。

这里拓展一点，由于 DirectBuffer 申请的是非 JVM 的物理内存，所以创建和销毁的代价很高。DirectBuffer 申请的内存并不是直接由 JVM 负责垃圾回收，但在 DirectBuffer 包装类被回收时，会通过 Java 引用机制来释放该内存块。

优化 I/O，避免阻塞

传统 I/O 的数据读写是在用户空间和内核空间来回复制，而内核空间的数据是通过操作系统层面的 I/O 接口从磁盘读取或写入。

NIO 的 Channel 有自己的处理器，可以完成内核空间和磁盘之间的 I/O 操作。在 NIO 中，我们读取和写入数据都要通过 Channel，由于 Channel 是双向的，所以读、写可以同时进行。

AIO

AIO（Asynchronous IO）即异步非阻塞 IO，指的是 Java 7 中，对 NIO 有了进一步的改进，也称为 NIO2，引入了异步非阻塞 IO 方式。

在 Java 7 中，NIO 有了进一步的改进，也就是 NIO 2，引入了异步非阻塞 IO 方式，也有很多人叫它 AIO（Asynchronous IO）。异步 IO 操作基于事件和回调机制，可以简单理解为，应用操作直接返回，而不会阻塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应线程进行后续工作。

传统 IO 流

流从概念上来说是一个连续的数据流。当程序需要读数据的时候就需要使用输入流读取数据，当需要往外写数据的时候就需要输出流。

BIO 中操作的流主要有两大类，字节流和字符流，两类根据流的方向都可以分为输入流和输出流。

字节流
- 输入字节流：InputStream
- 输出字节流：OutputStream
字符流
- 输入字符流：Reader
- 输出字符流：Writer

字节流

字节流主要操作字节数据或二进制对象。

字节流有两个核心抽象类：InputStream 和 OutputStream。所有的字节流类都继承自这两个抽象类。

文件字节流

FileOutputStream 和 FileInputStream 提供了读写字节到文件的能力。

文件流操作一般步骤：

使用 File 类绑定一个文件。
把 File 对象绑定到流对象上。
进行读或写操作。
关闭流

FileOutputStream 和 FileInputStream 示例：

public class FileStreamDemo {

    private static final String FILEPATH = "temp.log";

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        write(FILEPATH);
        read(FILEPATH);
    }

    public static void write(String filepath) throws IOException {
        // 第1步、使用File类找到一个文件
        File f = new File(filepath);

        // 第2步、通过子类实例化父类对象
        OutputStream out = new FileOutputStream(f);
        // 实例化时，默认为覆盖原文件内容方式；如果添加true参数，则变为对原文件追加内容的方式。
        // OutputStream out = new FileOutputStream(f, true);

        // 第3步、进行写操作
        String str = "Hello World\n";
        byte[] bytes = str.getBytes();
        out.write(bytes);

        // 第4步、关闭输出流
        out.close();
    }

    public static void read(String filepath) throws IOException {
        // 第1步、使用File类找到一个文件
        File f = new File(filepath);

        // 第2步、通过子类实例化父类对象
        InputStream input = new FileInputStream(f);

        // 第3步、进行读操作
        // 有三种读取方式，体会其差异
        byte[] bytes = new byte[(int) f.length()];
        int len = input.read(bytes); // 读取内容
        System.out.println("读入数据的长度：" + len);

        // 第4步、关闭输入流
        input.close();
        System.out.println("内容为：\n" + new String(bytes));
    }

}

内存字节流

ByteArrayInputStream 和 ByteArrayOutputStream 是用来完成内存的输入和输出功能。

内存操作流一般在生成一些临时信息时才使用。如果临时信息保存在文件中，还需要在有效期过后删除文件，这样比较麻烦。

ByteArrayInputStream 和 ByteArrayOutputStream 示例：

public class ByteArrayStreamDemo {

    public static void main(String[] args) {
        String str = "HELLOWORLD"; // 定义一个字符串，全部由大写字母组成
        ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(str.getBytes());
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
        // 准备从内存ByteArrayInputStream中读取内容
        int temp = 0;
        while ((temp = bis.read()) != -1) {
            char c = (char) temp; // 读取的数字变为字符
            bos.write(Character.toLowerCase(c)); // 将字符变为小写
        }
        // 所有的数据就全部都在ByteArrayOutputStream中
        String newStr = bos.toString(); // 取出内容
        try {
            bis.close();
            bos.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(newStr);
    }

}

管道流

管道流的主要作用是可以进行两个线程间的通信。

如果要进行管道通信，则必须把 PipedOutputStream 连接在 PipedInputStream 上。为此，PipedOutputStream 中提供了 connect() 方法。

public class PipedStreamDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Send s = new Send();
        Receive r = new Receive();
        try {
            s.getPos().connect(r.getPis()); // 连接管道
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        new Thread(s).start(); // 启动线程
        new Thread(r).start(); // 启动线程
    }

    static class Send implements Runnable {

        private PipedOutputStream pos = null;

        Send() {
            pos = new PipedOutputStream(); // 实例化输出流
        }

        @Override
        public void run() {
            String str = "Hello World!!!";
            try {
                pos.write(str.getBytes());
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try {
                pos.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        /**
         * 得到此线程的管道输出流
         */
        PipedOutputStream getPos() {
            return pos;
        }

    }

    static class Receive implements Runnable {

        private PipedInputStream pis = null;

        Receive() {
            pis = new PipedInputStream();
        }

        @Override
        public void run() {
            byte[] b = new byte[1024];
            int len = 0;
            try {
                len = pis.read(b);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try {
                pis.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("接收的内容为：" + new String(b, 0, len));
        }

        /**
         * 得到此线程的管道输入流
         */
        PipedInputStream getPis() {
            return pis;
        }

    }

}

对象字节流

ObjectInputStream 和 ObjectOutputStream 是对象输入输出流，一般用于对象序列化。

这里不展开叙述，想了解详细内容和示例可以参考：Java 序列化

数据操作流

数据操作流提供了格式化读入和输出数据的方法，分别为 DataInputStream 和 DataOutputStream。

DataInputStream 和 DataOutputStream 格式化读写数据示例：

public class DataStreamDemo {

    public static final String FILEPATH = "temp.log";

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        write(FILEPATH);
        read(FILEPATH);
    }

    private static void write(String filepath) throws IOException {
        // 1.使用 File 类绑定一个文件
        File f = new File(filepath);

        // 2.把 File 对象绑定到流对象上
        DataOutputStream dos = new DataOutputStream(new FileOutputStream(f));

        // 3.进行读或写操作
        String[] names = { "衬衣", "手套", "围巾" };
        float[] prices = { 98.3f, 30.3f, 50.5f };
        int[] nums = { 3, 2, 1 };
        for (int i = 0; i < names.length; i++) {
            dos.writeChars(names[i]);
            dos.writeChar('\t');
            dos.writeFloat(prices[i]);
            dos.writeChar('\t');
            dos.writeInt(nums[i]);
            dos.writeChar('\n');
        }

        // 4.关闭流
        dos.close();
    }

    private static void read(String filepath) throws IOException {
        // 1.使用 File 类绑定一个文件
        File f = new File(filepath);

        // 2.把 File 对象绑定到流对象上
        DataInputStream dis = new DataInputStream(new FileInputStream(f));

        // 3.进行读或写操作
        String name = null; // 接收名称
        float price = 0.0f; // 接收价格
        int num = 0; // 接收数量
        char[] temp = null; // 接收商品名称
        int len = 0; // 保存读取数据的个数
        char c = 0; // '\u0000'
        try {
            while (true) {
                temp = new char[200]; // 开辟空间
                len = 0;
                while ((c = dis.readChar()) != '\t') { // 接收内容
                    temp[len] = c;
                    len++; // 读取长度加1
                }
                name = new String(temp, 0, len); // 将字符数组变为String
                price = dis.readFloat(); // 读取价格
                dis.readChar(); // 读取\t
                num = dis.readInt(); // 读取int
                dis.readChar(); // 读取\n
                System.out.printf("名称：%s；价格：%5.2f；数量：%d\n", name, price, num);
            }
        } catch (EOFException e) {
            System.out.println("结束");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 4.关闭流
        dis.close();
    }

}

合并流

合并流的主要功能是将多个 InputStream 合并为一个 InputStream 流。合并流的功能由 SequenceInputStream 完成。

public class SequenceInputStreamDemo {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        InputStream is1 = new FileInputStream("temp1.log");
        InputStream is2 = new FileInputStream("temp2.log");
        SequenceInputStream sis = new SequenceInputStream(is1, is2);

        int temp = 0; // 接收内容
        OutputStream os = new FileOutputStream("temp3.logt");
        while ((temp = sis.read()) != -1) { // 循环输出
            os.write(temp); // 保存内容
        }

        sis.close(); // 关闭合并流
        is1.close(); // 关闭输入流1
        is2.close(); // 关闭输入流2
        os.close(); // 关闭输出流
    }

}

字符流

字符流主要操作字符，一个字符等于两个字节。

字符流有两个核心类：Reader 类和 Writer 。所有的字符流类都继承自这两个抽象类。

文件字符流

文件字符流 FileReader 和 FileWriter 可以向文件读写文本数据。

FileReader 和 FileWriter 读写文件示例：

public class FileReadWriteDemo {

    private static final String FILEPATH = "temp.log";

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        write(FILEPATH);
        System.out.println("内容为：" + new String(read(FILEPATH)));
    }

    public static void write(String filepath) throws IOException {
        // 1.使用 File 类绑定一个文件
        File f = new File(filepath);

        // 2.把 File 对象绑定到流对象上
        Writer out = new FileWriter(f);
        // Writer out = new FileWriter(f, true); // 追加内容方式

        // 3.进行读或写操作
        String str = "Hello World!!!\r\n";
        out.write(str);

        // 4.关闭流
        // 字符流操作时使用了缓冲区，并在关闭字符流时会强制将缓冲区内容输出
        // 如果不关闭流，则缓冲区的内容是无法输出的
        // 如果想在不关闭流时，将缓冲区内容输出，可以使用 flush 强制清空缓冲区
        out.flush();
        out.close();
    }

    public static char[] read(String filepath) throws IOException {
        // 1.使用 File 类绑定一个文件
        File f = new File(filepath);

        // 2.把 File 对象绑定到流对象上
        Reader input = new FileReader(f);

        // 3.进行读或写操作
        int temp = 0; // 接收每一个内容
        int len = 0; // 读取内容
        char[] c = new char[1024];
        while ((temp = input.read()) != -1) {
            // 如果不是-1就表示还有内容，可以继续读取
            c[len] = (char) temp;
            len++;
        }
        System.out.println("文件字符数为：" + len);

        // 4.关闭流
        input.close();

        return c;
    }

}

字节流转换字符流

我们可以在程序中通过 InputStream 和 Reader 从数据源中读取数据，然后也可以在程序中将数据通过 OutputStream 和 Writer 输出到目标媒介中

使用 InputStreamReader 可以将输入字节流转化为输入字符流；使用OutputStreamWriter可以将输出字节流转化为输出字符流。

OutputStreamWriter 示例：

public class OutputStreamWriterDemo {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File f = new File("temp.log");
        Writer out = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream(f));
        out.write("hello world!!");
        out.close();
    }

}

InputStreamReader 示例：

public class InputStreamReaderDemo {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File f = new File("temp.log");
        Reader reader = new InputStreamReader(new FileInputStream(f));
        char[] c = new char[1024];
        int len = reader.read(c);
        reader.close();
        System.out.println(new String(c, 0, len));
    }

}

字节流 vs. 字符流

相同点：

字节流和字符流都有 read()、write()、flush()、close() 这样的方法，这决定了它们的操作方式近似。

不同点：

数据类型
- 字节流的数据是字节（二进制对象）。主要核心类是 InputStream 类和 OutputStream 类。
- 字符流的数据是字符，一个字符等于两个字节。主要核心类是 Reader 类和 Writer 类。
缓冲区
- 字节流在操作时本身不会用到缓冲区（内存），是文件直接操作的。
- 字符流在操作时是使用了缓冲区，通过缓冲区再操作文件。

选择：

所有的文件在硬盘或传输时都是以字节方式保存的，例如图片，影音文件等都是按字节方式存储的。字符流无法读写这些文件。

所以，除了纯文本数据文件使用字符流以外，其他文件类型都应该使用字节流方式。