Java SE基础巩固（六）：Java IO
到现在为止，Java IO可分为三类：BIO、NIO、AIO。最早出现的是BIO，然后是NIO，最近的是AIO，BIO即Blocking IO，NIO有的文章说是New NIO，也有的文章说是No Blocking IO，我查了一些资料，官网说的应该是No Blocking IO，提供了Selector，Channle，SelectionKey抽象，AIO即Asynchronous IO（异步IO），提供了Fauture等异步操作。
1 BIO
[](https://imgchr.com/i/i81QZn)
[
](https://imgchr.com/i/i81QZn)
上图是BIO的架构体系图。可以看到BIO主要分为两类IO，即字符流IO和字节流IO，字符流即把输入输出数据当做字符来看待，Writer和Reader是其继承体系的最高层，字节流即把输入输出当做字节来看待，InputStream和OutputStream是其继承体系的最高层。下面以文件操作为例，其他的实现类也非常类似。
顺便说一下，整个BIO体系大量使用了装饰者模式，例如BufferedInputStream包装了InputStream，使其拥有了缓冲的能力。
1.1 字节流
public class Main {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//写入文件
FileOutputStream out = new FileOutputStream("E:Java_projecteffective-javasrctopyeononiobiotest.txt");
out.write("hello,world".getBytes("UTF-8"));
out.flush();
out.close();
//读取文件
FileInputStream in = new FileInputStream("E:Java_projecteffective-javasrctopyeononiobiotest.txt");
byte[] buffer = new byte[in.available()];
in.read(buffer);
System.out.println(new String(buffer, "UTF-8"));
in.close();
}
}
复制代码向FileOutputStream构造函数中传入文件名来创建FileOutputStream对象，即打开了一个字节流，之后使用write方法向字节流中写入数据，完成之后调用flush刷新缓冲区，最后记得要关闭字节流。读取文件也是类似的，先打开一个字节流，然后从字节流中读取数据并存入内存中（buffer数组），然后再关闭字节流。
因为InputStream和OutputStream都继承了AutoCloseable接口，所以如果使用的是try-resource的语法来进行字节流的IO操作，可不需要手动显式调用close方法了，这也是非常推荐的做法，在示例中我没有这样做只是为了方便。
1.2 字符流
字节流主要使用的是InputStream和OutputStream，而字符流主要使用的就是与之对应的Reader和Writer。下面来看一个示例，该示例的功能和上述示例的一样，只不过实现手段不同：
public class Main {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Writer writer = new FileWriter("E:Java_projecteffective-javasrctopyeononiobiotest.txt");
writer.write("hello,worldn");
writer.write("hello,yeononn");
writer.flush();
writer.close();
BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader("E:Java_projecteffective-javasrctopyeononiobiotest.txt"));
String line = "";
int lineCount = 0;
while ((line = reader.readLine()) != null) {
System.out.println(line);
lineCount++;
}
reader.close();
System.out.println(lineCount);
}
}
复制代码Writer非常简单，无法就是打开字符流，然后向字符流中写入字符，然后关闭。关键是Reader，示例代码中使用了BufferedReader来包装FileReader，使得原本没有缓冲功能的FileReader有了缓冲功能，这就是上面提到过的装饰者模式，BufferedReader还提供了方便使用的API，例如readLine()，这个方法每次调用会读取文件中的一行。
以上就是BIO的简单使用，源码的话因为涉及太多的底层，所以如果对底层不是很了解的话会很难理解源码。
2 NIO
BIO是同步阻塞的IO，而NIO是同步非阻塞的IO。NIO中有几个比较重要的组件：Selector，SelectionKey，Channel，ByteBuffer，其中Selector就是所谓的选择器，SelectionKey可以简单理解为选择键，这个键将Selector和Channle进行一个绑定（或者所Channle注册到Selector上），当有数据到达Channel的时候，Selector会从阻塞状态中恢复过来，并对该Channle进行操作，并且，我们不能直接对Channle进行读写操作，只能对ByteBuffer操作。如下图所示：
[](https://imgchr.com/i/i8YB80)
[
](https://imgchr.com/i/i8YB80)
下面是一个Socket网络编程的例子：
//服务端
public class SocketServer {
private Selector selector;
private final static int port = 9000;
private final static int BUF = 10240;
private void init() throws IOException {
//获取一个Selector
selector = Selector.open();
//获取一个服务端socket Channel
ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open();
//设置为非阻塞模式
channel.configureBlocking(false);
//绑定端口
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
//把channle注册到Selector上，并表示对ACCEPT事件感兴趣
SelectionKey selectionKey = channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
//该方法会阻塞，直到和其绑定的任何一个channel有数据过来
selector.select();
//获取该Selector绑定的SelectionKey
Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
//记得删除，否则就无限循环了
iterator.remove();
//如果该事件是一个ACCEPT，那么就执行doAccept方法，其他的也一样
if (key.isAcceptable()) {
doAccept(key);
} else if (key.isReadable()) {
doRead(key);
} else if (key.isWritable()) {
doWrite(key);
} else if (key.isConnectable()) {
System.out.println("连接成功！");
}
}
}
}
//写方法，注意不能直接对channle进行读写操作，只能对ByteBuffer进行操作
private void doWrite(SelectionKey key) throws IOException {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(BUF);
buffer.flip();
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
while (buffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(buffer);
}
buffer.compact();
}
//读取消息
private void doRead(SelectionKey key) throws IOException {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(BUF);
long reads = socketChannel.read(buffer);
while (reads > 0) {
buffer.flip();
byte[] data = buffer.array();
System.out.println("读取到消息： " + new String(data, "UTF-8"));
buffer.clear();
reads = socketChannel.read(buffer);
}
if (reads == -1) {
socketChannel.close();
}
}
//当有连接过来的时候，获取连接过来的channle，然后注册到Selector上，并设置成对读消息感兴趣，当客户端有消息过来的时候，Selector就可以让其执行doRead方法，然后读取消息并打印。
private void doAccept(SelectionKey key) throws IOException {
ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
System.out.println("服务端监听中...");
SocketChannel socketChannel = serverChannel.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ);
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketServer server = new SocketServer();
server.init();
}
}
//客户端，写得比较简单
public class SocketClient {
private final static int port = 9000;
private final static int BUF = 10240;
private void init() throws IOException {
//获取channel
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
//连接到远程服务器
channel.connect(new InetSocketAddress(port));
//设置非阻塞模式
channel.configureBlocking(false);
//往ByteBuffer里写消息
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(BUF);
buffer.put("Hello,Server".getBytes("UTF-8"));
buffer.flip();
//将ByteBuffer内容写入Channle，即发送消息
channel.write(buffer);
channel.close();
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketClient client = new SocketClient();
client.init();
}
}
复制代码 尝试启动一个服务端，多个客户端，结果大致如下所示：
服务端监听中...
读取到消息： Hello,Server
服务端监听中...
读取到消息： Hello,Server
复制代码注释写得挺清楚了，我这里只是简单使用了NIO，但实际上NIO远远不止这些东西，光一个ByteBuffer就能说一天，如果有机会，我会在后面Netty相关的文章中详细说一下这几个组件。在此就不再多说了。
吐槽一些，纯NIO写的服务端和客户端实在是太麻烦了，一不小心就会写错，还是使用Netty类似的框架好一些啊。
3 AIO
在JDK7中新增了一些IO相关的API，这些API称作AIO。因为其提供了一些异步操作IO的功能，但本质是其实还是NIO，所以可以简单的理解为是NIO的扩充。AIO中最重要的就是Future了，Future表示将来的意思，即这个操作可能会持续很长时间，但我不会等，而是到将来操作完成的时候，再过来通知我，这就是异步的意思。下面是两个使用AIO的例子：
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException, IOException {
Path path = Paths.get("E:Java_projecteffective-javasrctopyeononioaiotest.txt");
AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(path);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
Future future = channel.read(buffer,0);
Integer readNum = future.get(); //阻塞，如果不调用该方法，main方法会继续执行
buffer.flip();
System.out.println(new String(buffer.array(), "UTF-8"));
System.out.println(readNum);
}
复制代码 第一个例子使用AsynchronousFileChannel来异步的读取文件内容，在代码中，我使用了future.get()方法，该方法会阻塞当前线程，在例子中即主线程，当工作线程，即读取文件的线程执行完毕后才会从阻塞状态中恢复过来，并将结果返回。之后就可以从ByteBuffer中读取数据了。这是使用将来时的例子，下面来看看使用回调的例子：
public class Main {
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException, IOException {
Path path = Paths.get("E:Java_projecteffective-javasrctopyeononioaiotest.txt");
AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(path);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer, 0, buffer, new CompletionHandler() {
@Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
System.out.println("完成读取");
try {
System.out.println(new String(attachment.array(), "UTF-8"));
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
e.printStackTrace();
}
}
@Override
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
System.out.println("读取失败");
}
});
System.out.println("继续执行主线程");
//调用完成之后不需要等待任务完成，会直接继续执行主线程
while (true) {
Thread.sleep(1000);
}
}
}
复制代码 输出的结果大致如下所示，但不一定，这取决于线程调度：
继续执行主线程
完成读取
hello,world
hello,yeonon
复制代码当任务完成，即读取文件完毕的时候，会调用completed方法，失败会调用failed方法，这就是回调。详细接触过回调的朋友应该不难理解。
4 BIO、NIO、AIO的区别
- BIO是同步阻塞的IO，NIO是同步非阻塞IO，AIO异步非阻塞IO，这是最基本的区别。阻塞模式会导致其他线程被IO线程阻塞，必须等待IO线程执行完毕才能继续执行逻辑，非阻塞和异步并不等同，非阻塞模式下，一般会采用事件轮询的方式来执行IO，即IO多路复用，虽然仍然是同步的，但执行效率比传统的BIO要高很多，AIO则是异步IO，如果把IO工作当做一个任务的话，在当前线程中提交一个任务之后，不会有阻塞，会继续执行当前线程的后续逻辑，在任务完成之后，当前线程会收到通知，然后再决定如何处理，这种方式的IO，CPU效率是最高的，CPU几乎没有发生过停顿，而时一直至于忙状态，所以效率非常高，但编程难度会比较大。
- BIO面向的是流，无论是字符流还是字节流，通俗的讲，BIO在读写数据的时候会按照一个接一个的方式读写，而NIO和AIO（因为AIO实际上是NIO的扩充，所以从这个方面来看，可以把他们放在一块）读写数据的时候是按照一块一块的读取的，读取到的数据会缓存在内存中，然后在内存中对数据进行处理，这种方式的好处是减少了硬盘或者网络的读写次数，从而降低了由于硬盘或网络速度慢带来的效率影响。
- BIO的API虽然比较底层，但如果熟悉之后编写起来会比较容易，NIO或者AIO的API抽象层次高，一般来说应该更容易使用才是，但实际上却很难“正确”的编写，而且DEBUG的难度也较大，这也是为什么Netty等NIO框架受欢迎的原因之一。
以上就是我理解的BIO、NIO和AIO区别。
5 小结
本文简单粗略的讲了一下BIO、NIO、AIO的使用，并未涉及源码，也没有涉及太多的原理，如果读者希望了解更多关于三者的内容，建议参看一些书籍，例如老外写的《Java NIO》，该书全面系统的讲解了NIO的各种组件和细节，非常推荐。