Java IO工作机制分析

　　Java的IO类都在java.io包下，这些类大致可分为以下4种：

1. 基于字节操作的 I/O 接口：InputStream 和 OutputStream
2. 基于字符操作的 I/O 接口：Writer 和 Reader
3. 基于磁盘操作的 I/O 接口：File
4. 基于网络操作的 I/O 接口：Socket

1 IO类库的基本结构

1.1 基于字节操作的IO接口

　　基于字节操作的IO接口分别是InputStream和OutputStream，InputStream的类结构图如下所示：

 

　　同InputStream类似，OutputStream类也有着相同的类结构图。

 　　关于各个子类的使用可以参考JDK 的 API 说明文档，这里我们需要注意的是：操作数据的方式是可以组合的，如下所示：

InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(new FileInputStream("h:\\haha.txt"), "utf-8");

　　从上面代码可以看出，InputStreamReader可以从FileInputStream中读取数据，从源码中可以看出来，其实不仅是InputStreamReader，所有的IO类都可以以这种方式来组合使用。

　　还有一点需要注意的是必须制定流最终写入到什么地方，是磁盘还是网络，从OutputStream类图中可以看出，写入网络中实际也是写文件操作，只不过底层是通过网络传输了。

1.2 基于字符的IO操作接口

　 　不管是磁盘还是网络数据传输，都是以字节为单位的，但是程序中一般常见的数据操作都是以字符为单位的(Java中char占用2字节，C/C++中 char占用1字节)，这就需要我们有一个操作字符的IO接口，来处理字符与字节见的编码转换问题，也就是Write和Reader接口及其实现类，他们 二者的类接口图如下：

 

　　读字符接口Reader的最主要操作方法为read()，其读取字符并返回读取的字符数，不管是 Writer 还是 Reader 类它们都只定义了读取或写入的数据字符的方式，也就是怎么写或读，但是并没有规定数据要写到哪去(比如磁盘或者网络)。

1.3 字节与字符的转化接口

　　有时数据持久化和网络传输是以字节进行的，所有需要字节和字符之间的相互转换。

 

/**
 * 使用FileReader进行读取文件
 */
@Test
public void testFileReader() throws IOException {
    FileReader fileReader = new FileReader("h:\\haha.txt");
    char[] buff = new char[512];
    StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();

    while (fileReader.read(buff) > 0) {
        stringBuffer.append(buff);
    }
    fileReader.close();

    System.out.print(stringBuffer.toString());
}

/**
 * 使用FileReader进行读取文件，然后FileWriter写入另一个文件
 */
@Test
public void testFileReaderAndFileWriter() throws IOException {
    FileReader fileReader = new FileReader("h:\\haha.txt");
    char[] buff = new char[512];
    StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();

    while (fileReader.read(buff) > 0) {
        stringBuffer.append(buff);
    }
    System.out.println(stringBuffer.toString());

    FileWriter fileWriter = new FileWriter("h:\\haha2.txt");
    fileWriter.write(stringBuffer.toString().trim());

    fileWriter.close();
    System.out.println("写入文件成功");
}
/**
 * 使用InputStreamReader进行读取文件
 */
@Test
public void testInputStreamReader() throws IOException {
    InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(new FileInputStream("h:\\haha.txt"), "utf-8");
    char[] buff = new char[512];
    StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();

    while (inputStreamReader.read(buff) > 0) {
        stringBuffer.append(buff);
    }
    System.out.println(stringBuffer.toString());
}

@Test
public void testIntputStream2() throws IOException {
    InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(new StringBufferInputStream("hello world"));
    char[] buff = new char[512];

    int n = inputStreamReader.read(buff);
    System.out.println(n);
    System.out.println(buff);
}

/**
 * 使用inputStreamReader进行读取文件，然后OutputStreamWriter写入另一个文件
 */
@Test
public void testOutputStreamWriter() throws IOException {
    InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(new FileInputStream("h:\\haha.txt"), "utf-8");
    char[] buff = new char[512];
    StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();

    while (inputStreamReader.read(buff) > 0) {
        stringBuffer.append(buff);
    }
    System.out.println(stringBuffer.toString());

    OutputStreamWriter outputStreamWriter = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("h:\\haha2.txt"), "utf-8");
    outputStreamWriter.write(stringBuffer.toString().trim());
    outputStreamWriter.close();
}

　　注意：FileReader类继承了InputStreamReader，FileReader读取文件流，通过StreamDecoder解码成char，其解码字符集使用的是默认字符集。在Java中，我们应该使用File对象来判断某个文件是否存在，如果我们用FileOutputStream或者FileWriter打开，那么它肯定会被覆盖。

 

2 同步和异步、阻塞和非阻塞

　　同步和异步是针对IO来说的。所谓同步就是一个任务的完成需要依赖另外一个任务时，只有等待被依赖的任务完成后，依赖的任务才能算完成，这是一种可靠的任务序列。要么成功都成功，失败都失败，两个任务的状态可以保持一致。而异步是不需要等待被依赖的任务完成，只是通知被依赖的任务要完成什么工作，依赖的任务也立即执行，只要自己完成了整个任务就算完成了。至于被依赖的任务最终是否真正完成，依赖它的任务无法确定，所以它是不可靠的任务序列。我们可以用打电话和发短信来很好的比喻同步与异步操作。

　　阻塞和非阻塞是针对CPU来说的。阻塞与非阻塞主要是从 CPU 的消耗上来说的，阻塞就是 CPU 停下来等待一个慢的操作完成 CPU 才接着完成其它的事。非阻塞就是在这个慢的操作在执行时 CPU 去干其它别的事，等这个慢的操作完成时，CPU 再接着完成后续的操作。虽然表面上看非阻塞的方式可以明显的提高 CPU 的利用率，但是也带了另外一种后果就是系统的线程切换增加。增加的 CPU 使用时间能不能补偿系统的切换成本需要好好评估。

 

3 序列化

　　Java的对象序列化将那些实现了Serializable接口的对象转换成一个字节序列，并能够在以后将这个字节序列完全恢复为原来的对象。这一过程可通过网络进行，这样序列化机制能够自动弥补不同操作系统之间的差异。对应序列化的聪明之处在于它不仅保存了对象的“全景图”，而且能够追踪到对象自所包含的引用，并保存这些对象；接着又能够对对象内包含的每个这样的引用进行最终；以此类推。

　　要实例化一个对象，首先创建某些OutputStream对象，然后将其封装在一个ObjectOutputStream对象内，这是，只需要调用writeObject()即可将对象序列化，并将其发送到OutputStream(对象序列化基于字节，因此使用InputStream和OutputStream继承类层次结构)。反序列化和序列化过程正好相反，需要将一个InputStream封装在ObjectInputStream内，然后调用readObject()获取一个引用，它指向一个向上转型的Object，所以必须向下转型才能直接设置它们。下面是序列化和反序列化示例代码：

@Test
public void testWriteSerialization() {
    try {
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("h:\\serialize.txt");
        ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(fileOutputStream);

        objectOutputStream.writeObject("start");
        objectOutputStream.writeObject(new Person("luoxn28", 23));
        objectOutputStream.writeObject(12);
        objectOutputStream.close();

    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }

    System.out.println("end...");
}

@Test
public void testReadSerialization() {
    try {
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("h:\\serialize.txt");
        ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(fileInputStream);
        String info1 = (String) objectInputStream.readObject();
        Person person = (Person) objectInputStream.readObject();
        int num = (int) objectInputStream.readObject();

        System.out.println(info1);
        System.out.println(person);
        System.out.println(num);

    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (ClassNotFoundException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

 

参考资料：

　　1、深入分析 Java I/O 的工作机制

　　2、Java IO系统