Java高级知识 — IO、NIO、AIO
文章目录
- 一、Java Socket
- 二、Java IO流基础
- 2.1 IO流的概念
- 2.2 IO流的分类
- 1）输入流和输出流
- 2）字节流和字符流
- 3）节点流和处理流
- 2.3 常用IO流介绍
- 1) 缓冲流
- 2) 转换流
- 3) 字节数组流(内存流)
- 4) 数据处理流
- 5) 序列化流
- 2.4 流的操作步骤
- 1) 字节输入流读取文件内容
- 2) 字节输出流写入文件内容
- 3) 流关闭的顺序
- 2.5 File类
- 三、BIO、NIO、AIO
- 3.1 BIO
- 3.1.1 传统 BIO
- 3.1.2 伪异步 IO
- 3.2 NIO
- 3.2.1 NIO的特性/NIO与IO区别
- 1) Non-blocking IO (非阻塞IO)
- 2) Buffer (缓冲区)
- 3) Channel (通道)
- 4) Selectors (选择器)
- 3.2.2 NIO 读写数据方式
- 3.2.3 NIO 核心组件
- 3.3 AIO
- 3.3.1 NIO和AIO区别
一、Java Socket
参考：JAVA Socket详解
二、Java IO流基础
参考：
JavaIO流详解
Java IO流详解（一）——预备知识
Java IO流详解（二）——IO流的框架体系
IO流常见面试题
2.1 IO流的概念
Java的IO流是实现输入/输出的基础，它可以方便地实现数据的输入/输出操作，在Java中把不同的输入/输出源抽象表述为"流"。流是一组有顺序的，有起点和终点的字节集合，是对数据传输的总称或抽象。即数据在两设备间的传输称为流，流的本质是数据传输，根据数据传输特性将流抽象为各种类，方便更直观的进行数据操作。
流有输入和输出，输入时是流从数据源流向程序。输出时是流从程序传向数据源，而数据源可以是内存，文件，网络或程序等。
2.2 IO流的分类
1）输入流和输出流
按照数据流向或者说是功能来划分
输入流：只能从中读取数据，而不能向其写入数据。
输出流：只能向其写入数据，而不能从中读取数据。
2）字节流和字符流
按照处理的数据单元来划分
字节流和字符流操作的方式基本上完全相同，操作的数据单元不同 。
字节流：操作的是8位的字节，InputStream/OutputStream作为字节流的基类。
字符流：操作的是16位的字符，Reader/Writer 作为字符流的基类。
字符流的由来：
因为数据编码的不同，而有了对字符进行高效操作的流对象。本质其实就是基于字节流读取时，去查了指定的码表。
字节流和字符流的区别：
· 读写单位不同：字节流以字节（8bit）为单位，字符流以字符为单位，根据码表映射字符，一次可能读多个字节。
· 处理对象不同：字节流能处理所有类型的数据（如图片、avi等），而字符流只能处理字符类型的数据。
只要是处理纯文本数据，就优先考虑使用字符流。 除此之外都使用字节流。
3）节点流和处理流
按照角色进行划分
节点流：可以直接从/向外部设备读取/写入数据的流，称之为节点流，节点流也被称之为低级流。
处理流(包装流、过滤流)：对于已经存在的流进行了连接和封装，扩展了原来的读/写的功能。处理流也被称之为高级流。
//节点流，直接传入的参数是IO设备
FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt");
//处理流，直接传入的参数是流对象
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);
根据流的流向以及操作的数据单元不同，将流分为了四种类型，每种类型对应一种抽象基类。
这四种抽象基类分别为：InputStream、OutputStream、Reader以及Writer。
四种基类下，对应不同的实现类，具有不同的特性。在这些实现类中，又可以分为节点流和处理流。
需要注意，过滤流的四个抽象类（ “Filter” 开头）也分别继承自四大基类。
下图是各类之间的继承关系：
下图标出了节点流和处理流：
2.3 常用IO流介绍
下图是常用IO流之间的拓扑关系：
常用流使用（含代码）参考这篇文章：Java 常用IO流操作详解
以下是常用的几种流的介绍：
1) 缓冲流
缓冲字节流 BufferedInputStream / BufferedOutputStream
缓冲字符流 BufferedReader / BufferedWriter
缓冲流的步骤：
缓冲流内部包含一个缓冲区域，默认8kb
- 每一次程序调用read方法其实都是从缓冲区域当中读取内容；
- 如果读取失败就说明缓冲区域当中没有内容，那么就从数据源当中读取内容；
- 然后会尽可能读取更多的字节放入到缓冲区域当中；
- 最后缓冲区域当中的内容，会全部返回给程序。
简单地说：
没有缓存区，那么每read一次，就会发送一次IO操作；
有缓存区，第一次read时，会一下读取x个字节放入缓存区，然后后续的read都会从缓存中读取，当read到缓存区末尾时，会再次读取x个字节放入缓存区。
缓冲流的好处：
从缓冲区读取数据会比直接从数据源读取数据的速度快，效率也更高，性能更好。
使用示例：
/*
BufferedInputStream构造方法：
// 创建一个 BufferedInputStream并保存其参数，即输入流in，以便将来使用。
BufferedInputStream(InputStream in)
创建具有指定缓冲区大小的 BufferedInputStream并保存其参数，即输入流in以便将来使用
BufferedInputStream(InputStream in, int size)
*/
InputStream in = new FileInputStream("test.txt");
// 字节缓存流
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(in);
byte[] bs = new byte[20];
int len = 0;
while ((len = bis.read(bs)) != -1) {
System.out.print(new String(bs, 0, len));
// do something
}
// 关闭流
bis.close();
/*
BufferedOutputStream 构造方法：
// 创建一个新的缓冲输出流，以将数据写入指定的底层输出流
BufferedOutputStream(OutputStream out)
// 创建一个新的缓冲输出流，以将具有指定缓冲区大小的数据写入指定的底层输出流
BufferedOutputStream(OutputStream out, int size)
常用方法：
// 将指定 byte 数组中从偏移量 off 开始的 len 个字节写入此缓冲的输出流
void write(byte[] b, int off, int len)
// 将指定的字节写入此缓冲的输出流
void write(int b)
// 刷新此缓冲的输出流
void flush()
*/
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("test.txt", true));
// 输出换行符
bos.write("\r\n".getBytes());
// 输出内容
bos.write("Hello Android".getBytes());
// 刷新此缓冲的输出流
bos.flush();
// 关闭流
bos.close();
2) 转换流
转换流作用：把字节流转换成字符流，可以解决出现的因为编码集和解码集造成的乱码问题。
InputStreamReader: 编码：字符 —— 设置编码字符集 ——> 二进制
OutputStreamWriter: 解码：二进制 — 设置解码字符集 ——> 字符
在处理文件时，如果文件的字符格式和编译器处理格式不一样时，会出现乱码问题。比如文件字符格式GBK，而编译器是UTF-8格式，那么就会产生该问题。
出现乱码问题的原因：
- 编码和解码字符集不一致造成了乱码
- 字节的缺失，长度的丢失
大部分情况下，出现乱码问题是因为中国汉字，因为中国汉字在不同的字符编码当中占据的字节数不相同，但是都占据多个字节。
而英文字母没有这个问题，因为英文字母在所有的字符编码当中都占据一个字节。
InputStreamReader可以防止文件使用字符输入流处理时出现乱码问题。
/*
InputStreamReader 构造方法：
// 创建一个使用默认字符集的 InputStreamReader
InputStreamReader(InputStream in)
// 创建使用给定字符集的 InputStreamReader
InputStreamReader(InputStream in, Charset cs)
// 创建使用给定字符集解码器的 InputStreamReader
InputStreamReader(InputStream in, CharsetDecoder dec)
// 创建使用指定字符集的 InputStreamReader
InputStreamReader(InputStream in, String charsetName)
特有方法：
//返回此流使用的字符编码的名称
String getEncoding()
*/
//使用默认编码
InputStreamReader reader = new InputStreamReader(new FileInputStream("test.txt"));
int len;
while ((len = reader.read()) != -1) {
System.out.print((char) len);//爱生活，爱Android
}
reader.close();
//指定编码
InputStreamReader reader = new InputStreamReader(new FileInputStream("test.txt"),"utf-8");
int len;
while ((len = reader.read()) != -1) {
System.out.print((char) len);//????????Android
}
reader.close();
/*
OutputStreamWriter 构造方法：
// 创建使用默认字符编码的 OutputStreamWriter
OutputStreamWriter(OutputStream out)
// 创建使用给定字符集的 OutputStreamWriter
OutputStreamWriter(OutputStream out, Charset cs)
// 创建使用给定字符集编码器的 OutputStreamWriter
OutputStreamWriter(OutputStream out, CharsetEncoder enc)
// 创建使用指定字符集的 OutputStreamWriter
OutputStreamWriter(OutputStream out, String charsetName)
特有方法：
//返回此流使用的字符编码的名称
String getEncoding()
*/
3) 字节数组流(内存流)
字节数组流(内存流)：ByteArrayInputStream / ByteArrayOutputStream
因为内存输出流当中又新增了方法，不能使用多态，不能够让父类的引用指向子类的对象。
作用：
可以在循环当中把所有的数据存放到统一的容器当中，然后在循环结束之后可以把容器当中所有的内容一起取出来。
注意事项：
内存流属于内存当中的资源，所以数据量不要过大，如果太大，会造成内存溢出的错误。
4) 数据处理流
数据处理流：DataOutputStream / DataInputStream
特点：既能够保存数据本身，又能够保存数据类型（基本数据类型+String）
5) 序列化流
对象序列化：将对象转换成字节序列的过程。序列化流 (输出流): ObjectOutputStream writeObject()
对象反序列化：将字节序列恢复为对象的过程。反序列化流 (输入流): ObjectInputStream readObject()
序列化流的作用：保留对象（引用数据类型数据的）类型+数据。
注意事项：
- 先序列化然后再反序列化，而且反序列化的顺序必须和序列化的顺序保持一致。
- 并不是所有的对象都能够被序列化。只有实现了Serializable接口的类的对象才能够被序列化。 对象当中并不是所有的属性都能够被序列化。
对象序列化的主要用途：
- 把对象转换成字节序列，保存到硬盘当中，持久化存储，通常保存为文件。
- 在网络上传递的是对象的字节序列
对象序列化的步骤：
1.创建对象输出流，在构造方法当中可以包含其他输出节点流，如文件输出流；
2.把对象通过writeObject的方式写入。对象反序列化的步骤：
1.创建对象输入流，在构造方法当中可以包含其他的输入节点流，如文件输入流；
2.通过readObject()方法读取对象。
serialVersionUID: 序列化版本id
作用：从字面角度看，就是序列化版本号。凡是实现了Serializable接口的类，都会有一个默认的静态的序列化标识。
- 类在不同的版本之间，可以解决序列化兼容问题，如果之前版本当中在文件中保存对象，那么版本升级后，如果序列化id一致，我们可以认为文件中的对象依然是此类的对象。
- 如果类在不同的版本之间不希望兼容，但是还希望类的对象能够序列，那么就在不同版本中使用不同的序列化id。
transient修饰符: 当类中有属性不想被序列化，那么就使用这个修饰符修饰。
2.4 流的操作步骤
1) 字节输入流读取文件内容
操作步骤：
- 1.创建流对象
- 2.创建一个缓存字节的容器数组
- 3.定义一个变量，保存实际读取的字节数
- 4.循环读取数据
- 5.操作保存数据的数组
- 6.关闭流
public class FileInputStreamDemo01 {
public static void main(String[] args) {
File file = new File("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\2020-05-22\\2020-05-22.java");
// 1.创建流对象
FileInputStream fis = null;
try {
fis = new FileInputStream(file);
// 2.创建一个缓存字节的容器数组
byte[]buf = new byte[1024];
// 3.定义一个变量，保存实际读取的字节数
int hasRead = 0;
// 4.循环读取数据
// while (true) {
// hasRead = fis.read(buf);
// if (hasRead==-1) {
// break;
// }
// 5.操作保存数据的数组
// String msg = new String(buf, 0,hasRead);
// System.out.print(msg);
// }
// 第4、5步骤可以合并为以下代码:
while ((hasRead = fis.read(buf))!=-1) {
String str = new String(buf,0,hasRead);
System.out.print(str);
}
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
// 6.关闭流
if (fis!=null) {
try {
fis.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
2) 字节输出流写入文件内容
操作步骤：
- 1.选择流：创建流对象
- 2.准备数据源，把数据源转换成字节数组类型
- 3.通过流向文件当中写入数据
- 4.刷新流
- 5.关闭流
public class FileOutputStreamDemo01 {
public static void main(String[] args) {
// 1.选择流：创建流对象
FileOutputStream fos =null;
try {
fos = new FileOutputStream(new File("c:\\read.txt"),true);
// 2.准备数据源，把数据源转换成字节数组类型
String msg = "\n野径云俱黑，江船火独明。\n晓看红湿处，花丛锦官城。";
byte[] data = msg.getBytes();
// 3.通过流向文件当中写入数据
fos.write(data, 0, data.length);
// 4.刷新流
fos.flush();
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
if (fos!=null) {
// 5.关闭流
try {
fos.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
3) 流关闭的顺序
依然是参考：JAVA I/O流 字符流和字节流、节点流和处理流(包装流、过滤流)、缓冲流
当然完全可以只关闭处理流，不用关闭节点流。处理流关闭的时候，会调用其处理的节点流的关闭方法
一般情况下是：
- 先打开的后关闭，后打开的先关闭；
- 另一种情况：看依赖关系，如果流a依赖流b，应该先关闭流a，再关闭流b
- 例如处理流a依赖节点流b，应该先关闭处理流a，再关闭节点流b
- 如果将节点流关闭以后再关闭处理流，会抛出IO异常；
2.5 File类
File类的由来：File类的出现弥补了IO流的不足，IO只能够操作数据，但是不能够对文件的信息做操作，操作文件必须使用File类。
功能： 可以将文件或者文件夹在程序当中分装成对象。
方便对于文件或者文件夹当中的属性信息进行操作。
File类通常通过构造函数作为参数传递到流的对象当中。
File类的常用方法介绍：
- 构造方法
File(String pathname)：这个构造可以将已存在的或者不存在的文件或者文件夹封装成File的对象，pathname即文件的的路径。
File(File parent, String child)：parent为child文件所在的路径。
File file = new File (“c:\java”,”jre7”);
//file的toString方法重写了，封装的地址是什么就打印什么
//’/’和’\’都是目录分隔符，在其他系统当中目录分割符可能发生变化，这个写法不利于跨平台操作
//最好使用File当中提供的字段separator进行分割。
- 创建文件相关函数
createNewFile()：创建相关文件。并返回布尔值
createTemFile()：在默认临时文件目录当中创建一个空文件，程序运行结束后就不存在了。
mkdirs()：创建目录，如果你写的目录的父目录不存在。他会帮你创建好。
- 删除文件相关函数
delete()：删除空目录或文件（ps只能是空目录）
deleteOnExit()：在虚拟机终止时删除文件。
- 判断
exists(): 判断文件或者文件夹是否存在。
canExecute(): 判断文件是否可执行，和操作系统相关。
canRead(): 判断文件是否可读
canWrite(): 判断文件是否可写
equals(Object obj): 测试此抽象路径名与给定对象是否相等。
isAbsolute(): 测试此抽象路径名是否为绝对路径名。
isDirectory(): 判断file对象是否表示文件夹。
isFile(): 判断file对象是否表示文件
isHidden(): 判断file对象是否是隐藏文件
- 获取file对象属性信息的方法
getAbsoluteFile(): 返回此抽象路径名的绝对路径名形式。
getAbsolutePath(): 返回此抽象路径名的绝对路径名字符串。
getCanonicalFile(): 返回此抽象路径名的规范形式。
getCanonicalPath(): 返回此抽象路径名的规范路径名字符串。
getPath(): 将此抽象路径名转换为一个路径名字符串。
getName(): 返回由此抽象路径名表示的文件或目录的名称。
getParent(): 返回此抽象路径名父目录的路径名字符串；如果此路径名没有指定父目录，则返回 null。
getParentFile(): 返回此抽象路径名父目录的抽象路径名；如果此路径名没有指定父目录，则返回 null。
getTotalSpace(): 返回指定路径的全部空间的字节数 getFreeSpace(): 返回此抽象路径名指定的分区中未分配的字节数。
getUsableSpace(): 返回此抽象路径名指定的分区上可用于此虚拟机的字节数。
renameTo(File dest): 重新命名此抽象路径名表示的文件。
- 设置文件信息的方法
setExecutable(boolean executable): 设置文件可执行的方法
setLastModified(long time): 设置此抽象路径名指定的文件或目录的最后一次修改时间。
setReadable(boolean readable): 设置文件是否可读
setReadOnly(): 设置文件是否只读
setWritable(boolean writable): 设置文件是否可写
- 获取文件的常规信息的方法：
lastModified(): 获取文件最后一次被修改的时间。
length(): 返回由此抽象路径名表示的文件的长度。
- 操作文件夹的相关方法
list(): 把文件夹当中包含的目录和文件都存放到字符串数组当中。
listFiles(): 列举文件夹当中包含的目录和文件，存放到File数组当中。
listRoots(): 列出可用的文件系统根。
- 文件过滤器: 过滤不满足条件的文件对象
class MyFilter implements FilenameFilter{
@Override
public boolean accept(File dir, String name) {
//判断是否为.java 结尾或者一个目录
return name.endsWith(".java")||new File(name).isDirectory();
}
}
public class FileNameFilterTest {
public static void main(String[] args) {
File file=new File("."); //获取当前项目工作目录下的所有文件
String[] nameList=file.list(new MyFilter());
for(String str : nameList){
System.out.println(str);
}
}
}
三、BIO、NIO、AIO
参考文章：
Java面试常考的 BIO，NIO，AIO 总结
BIO、NIO、AIO 区别和应用场景