Java语言基础之(IO流、多线程)

1、IO流

io ==> input & output
分类

• 按读写数据的基本单位分类 -- 字节流 和 字符流。
  其中字节流主要指以字节为单位进行数据读写的流，可以读写任意类型的文件。
  其中字符流主要指以字符(2个字节)为单位进行数据读写的流，只能读写文本文件。

• 按照读写数据的方向不同分类 -- 输入流 和 输出流（站在程序的角度）
  其中输入流主要指从文件中读取数据内容输入到程序中，也就是读文件。
  其中输出流主要指将程序中的数据内容输出到文件中，也就是写文件。

• 按照流的角色不同分类 -- 节点流和处理流
  其中节点流主要指直接和输入输出源对接的流。
  其中处理流主要指需要建立在节点流的基础之上的流。

  

                                                                 常见流分类

  
  下面就来看一下几个比较重要的流：

1. 访问文件 --> FileInputStream 与 FileOutputStream、FileRead 与 FileWriter

-- FileInputStream：用于从输入流中以字节流的方式读取图像数据等。
常用的方法：

方法声明	功能介绍
FileInputStream(String name)	根据参数指定的文件路径名来构造对象
int read()	从输入流中读取单个字节的数据并返回，返回-1表示读取到末尾
int read(byte[] b, intoff, int len）	从此输入流中将最多len个字节的数据读入字节数组中，返回读取到的字节个数，返回-1表示读取到末尾
int read(byte[] b)	从此输入流中将最多 b.length 个字节的数据读入字节数组中，返回读取到的字节个数，返回-1表示读取到末尾
void close()	关闭流对象并释放有关的资源
int available()	获取输入流所关联文件的大小

-- FileOutputStream：用于将图像数据之类的原始字节流写入到输出流中。
常用的方法：

方法声明	功能介绍
FileOutputStream(String name)	根据参数指定的文件名来构造对象
FileOutputStream(String name,boolean append)	以追加的方式根据参数指定的文件名来构造对象
void write(int b)	将指定字节写入此文件输出流
void write(byte[] b, int off, int len)	将指定字节数组中从偏移量off开始的len个字节写入此文件输出流
void write(byte[] b)	将 b.length 个字节从指定字节数组写入此文件输出流中
void flush()	刷新此输出流并强制写出任何缓冲的输出字节
void close()	关闭流对象并释放有关的资源

-- FileReader：用于从文本文件读取文本数据内容。
常用的方法：

方法声明	功能介绍
FileReader(String fileName)	根据参数指定的文件名构造对象
int read()	读取单个字符的数据并返回，返回-1表示读取到末尾
int read(char[] cbuf, int offset, int length)	从输入流中将最多len个字符的数据读入一个字符数组中，返回读取到的字符个数，返回-1表示读取到末尾
int read(char[] cbuf)	从此输入流中将最多 cbuf.length 个字符的数据读入字符数组中，返回读取到的字符个数，返回-1表示读取到末尾
void close()	关闭流对象并释放有关的资源

-- FileWriter：用于将文本内容写入到文本文件。
常用的方法：

方法声明	功能介绍
FileWriter(String fileName)	根据参数指定的文件名构造对象
FileWriter(String fileName, boolean append)	以追加的方式根据参数指定的文件名来构造对象
void write(int c)	写入单个字符
void write(char[] cbuf, int off, int len)	将指定字符数组中从偏移量off开始的len个字符写入此文件输出流
void write(char[] cbuf)	将cbuf.length个字符从指定字符数组写入此文件输出流中
void flush()	刷新流
void close()	关闭流对象并释放有关的资源

   2.缓冲流 --> BufferedInputStream 与 BufferedOutputStream、BufferedReader 与 BufferedWriter

-- BufferedInputStream：用于描述缓冲输入流。
常用的方法：

方法声明	功能介绍
BufferedInputStream(InputStream in)	根据参数指定的引用构造对象
BufferedInputStream(InputStream in, int size)	根据参数指定的引用和缓冲区大小构造对象
int read()	读取单个字节
int read(byte[] b, int off, int len)	读取len个字节
int read(byte[] b)	读取b.length个字节
void close()	关闭流对象并释放有关的资源

-- BufferedOutputStream：用于描述缓冲输出流，此时不用为写入的每个字节调用底层系统。
常用的方法：

方法声明	功能介绍
BufferedOutputStream(OutputStream out)	根根据参数指定的引用来构造对象
BufferedOutputStream(OutputStream out, int size)	根据参数指定的引用和缓冲区大小来构造对象
void write(int b)	写入单个字节
void write(byte[] b, int off, int len)	写入字节数组中的一部分数据
void write(byte[] b)	写入参数指定的整个字节数组
void flush()	刷新流
void close()	关闭流对象并释放有关的资源

-- BufferedReader：用于从输入流中读取单个字符、字符数组以及字符串。
常用的方法：

方法声明	功能介绍
BufferedReader(Reader in)	根据参数指定的引用来构造对象
BufferedReader(Reader in, int size)	根据参数指定的引用和缓冲区大小来构造对象
int read()	从输入流读取单个字符，读取到末尾则返回-1，否则返回实际读取到的字符内容
int read(char[] cbuf, int off, int len)	从输入流中读取len个字符放入数组cbuf中下标从off开始的位置上，若读取到末尾则返回-1，否则返回实际读取到的字符个数
int read(char[] cbuf)	从输入流中读满整个数组cbuf
String readLine()	读取一行字符串并返回，返回null表示读取到末尾
void close()	关闭流对象并释放有关的资源

-- BufferedWriter：用于写入单个字符、字符数组以及字符串到输出流中。
常用的方法：

方法声明	功能介绍
BufferedWriter(Writer out)	根据参数指定的引用来构造对象
BufferedWriter(Writer out, int size)	根据参数指定的引用和缓冲区大小来构造对象
void write(int c)	写入单个字符到输出流中
void write(char[] cbuf, int off, int len)	将字符数组cbuf中从下标off开始的len个字符写入输出流中
void write(char[] cbuf)	将字符串数组cbuf中所有内容写入输出流中
void write(String s, int off, int len)	将参数s中下标从off开始的len个字符写入输出流中
void write(String str)	将参数指定的字符串内容写入输出流中
void newLine()	用于写入行分隔符到输出流中
void flush()	刷新流
void close()	关闭流对象并释放有关的资源

   3.打印流 --> PrintStream 与 PrintWriter

-- PrintStream：用于更加方便地打印各种数据内容。
常用的方法：

方法声明	功能介绍
PrintStream(OutputStream out)	根据参数指定的引用来构造对象
void print(String s)	用于将参数指定的字符串内容打印出来
void println(String x)	用于打印字符串后并终止该行
void flush()	刷新流
void close()	关闭流对象并释放有关的资源

-- PrintWriter：用于将对象的格式化形式打印到文本输出流。
常用的方法：

方法声明	功能介绍
PrintWriter(Writer out)	根据参数指定的引用来构造对象
void print(String s)	将参数指定的字符串内容打印出来
void println(String x)	打印字符串后并终止该行
void flush()	刷新流
void close()	关闭流对象并释放有关的资源

    4. 转换流 --> InputStreamReader 与 OutputStreamWriter

-- InputStreamReader：用于实现从字节流到字符流的转换。
常用的方法：

方法声明	功能介绍
InputStreamReader(InputStream in)	根据参数指定的引用来构造对象
InputStreamReader(InputStream in, String charsetName)	根据参数指定的引用和编码来构造对象
int read(char[] cbuf)	读取字符数据到参数指定的数组
void close()	关闭流对象并释放有关的资源

-- OutputStreamWriter：用于实现从字符流到字节流的转换。
常用的方法：

方法声明	功能介绍
OutputStreamWriter(OutputStream out)	根据参数指定的引用来构造对象
OutputStreamWriter(OutputStream out, String
charsetName)	根据参数指定的引用和编码来构造对象
void write(String str)	将参数指定的字符串写入
void flush()	刷新流
void close()	用于关闭输出流并释放有关的资源

  5. 对象流 --> ObjectOutputStream类 与 ObjectInputStream类

-- ObjectOutputStream：用于将一个对象的所有内容整体写入到输出流中。

• 只能将支持 java.io.Serializable 接口的对象写入流中。
• 类通过实现 java.io.Serializable 接口以启用其序列化功能。
• 所谓序列化主要指将一个对象需要存储的相关信息有效组织成字节序列
  的转化过程。
  常用的方法：

方法声明	功能介绍
ObjectOutputStream(OutputStream out)	根据参数指定的引用来构造对象
void writeObject(Object obj)	用于将参数指定的对象整体写入到输出流中
void close()	用于关闭输出流并释放有关的资源

-- ObjectInputStream：用于从输入流中一次性将对象整体读取出来。

• 所谓反序列化主要指将有效组织的字节序列恢复为一个对象及相关信息的转化过程。
  常用的方法：

方法声明	功能介绍
ObjectInputStream(InputStream in)	根据参数指定的引用来构造对象
Object readObject()	主要用于从输入流中读取一个对象并返回 无法通过返回值来判断是否读取到文件的末尾
void close()	用于关闭输出流并释放有关的资源

拓展：

• 序列化版本号：
      序列化机制是通过在运行时判断类的serialVersionUID来验证版本一致性的。在进行反序列化时，JVM会把传来的字节流中的serialVersionUID与本地相应实体类的serialVersionUID进行比较，如果相同就认为是一致的，可以进行反序列化，否则就会出现序列化版本不一致的异常(InvalidCastException)。
• transient关键字：
       transient是Java语言的关键字，用来表示一个域不是该对象串行化的一部分。当一个对象被串行化的时候，transient型变量的值不包括在串行化的表示中，然而非transient型的变量是被包括进去的。
• 经验的分享
      当希望将多个对象写入文件时，通常建议将多个对象放入一个集合中，然后将集合这个整体看做一个对象写入输出流中，此时只需要调用一次readObject方法就可以将整个集合的数据读取出来，从而避免了通过返回值进行是否达到文件末尾的判断。

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2、多线程

程序和进程
-- 程序 --> 数据结构 + 算法，主要指存放在硬盘上的可执行文件。
-- 进程 --> 主要指运行在内存中的可执行文件。
-- 目前主流的操作系统都支持多进程，为了让操作系统同时可以执行多个任务，但进程是重量级的，也就是新建一个进程会消耗CPU和内存空间等系统资源，因此进程的数量比较局限。

2.1 什么是线程
-- 线程就是进程内部的程序流，也就是说操作系统内部支持多
进程的，而每个进程的内部又是支持多线程的，线程是轻量的，新建线程会共享所在进程的系统资源，因此目前主流的开发都是采用多线程。
-- 多线程是采用时间片轮转法来保证多个线程的并发执行，所谓并发就是指宏观并行微观串行的机制。

2.1 线程的创建
-- java.lang.Thread类代表线程，任何线程对象都是Thread类（子类）的实例。
  Thread类是线程的模板，封装了复杂的线程开启等操作，封装了操作系统的差异性。
   2.1.1创建方式：
   自定义类继承Thread类并重写run方法，然后创建该类的对象调用start方法。
   自定义类实现Runnable接口并重写run方法，创建该类的对象作为实参来构造Thread类型的对象，然后使用Thread类型的对象调用start方法。
相关的方法：

方法声明	功能介绍
Thread()	使用无参的方式构造对象
Thread(String name)	根据参数指定的名称来构造对象
Thread(Runnable target)	根据参数指定的引用来构造对象，其中Runnable是个接口类型
Thread(Runnable target,String name)	根据参数指定引用和名称来构造对象
void run()	若使用Runnable引用构造了线程对象，调用该方法时最终调用接口中的版本；若没有使用Runnable引用构造线程对象，调用该方法时则啥也不做
void start()	用于启动线程，Java虚拟机会自动调用该线程的run方法

   2.1.2执行的流程：

• 执行main方法的线程叫做主线程，执行run方法的线程叫做新线程/子线程。
• main方法是程序的入口，对于start方法之前的代码来说，由主线程执行一次，当start方法调用成功后线程的个数由1个变成了2个，新启动的线程去执行run方法的代码，主线程继续向下执行，两个线程各自独立运行互不影响。
• 当run方法执行完毕后子线程结束，当main方法执行完毕后主线程结束。
• 两个线程执行没有明确的先后执行次序，由操作系统调度算法来决定。

2.2 线程的生命周期

线程的生命周期

• 新建状态(New) - 使用new关键字创建之后进入的状态，此时线程并没有开始执行。
• 就绪状态(Runnable) - 调用start方法后进入的状态，此时线程还是没有开始执行。
• 运行状态(Running) - 使用线程调度器调用该线程后进入的状态，此时线程开始执行，当线程的时间片执行完毕后任务没有完成时回到就绪状态。
• 消亡状态(Dead) - 当线程的任务执行完成后进入的状态，此时线程已经终止。
• 阻塞状态(Blocked) - 当线程执行的过程中发生了阻塞事件进入的状态，如：sleep方法。阻塞状态解除后进入就绪状态。

2.3 线程的编号和名称
相关的方法：

方法声明	功能介绍
long getId()	获取调用对象所表示线程的编号
String getName()	获取调用对象所表示线程的名称
void setName(String name)	设置/修改线程的名称为参数指定的数值
static Thread currentThread()	获取当前正在执行线程的引用

常用的方法：

方法声明	功能介绍
static void yield()	当前线程让出处理器（离开Running状态），使当前线程进入Runnable状态等待
static void sleep(times)	使当前线程从 Running 放弃处理器进入Block状态, 休眠times毫秒, 再返回到Runnable。如果其他线程打断当前线程的Block(sleep), 就会发生InterruptedException异常
int getPriority()	获取线程的优先级
void setPriority(int newPriority)	修改线程的优先级。优先级越高的线程不一定先执行，但该线程获取到时间片的机会会更多一些
void join()	等待该线程终止
void join(long millis)	等待参数指定的毫秒数
void setDaemon(boolean on)	用于设置线程为守护线程
boolean isDaemon()	用于判断是否为守护线程

• 那么什么是守护线程呢？

守护线程（即daemon thread），是个服务线程，准确地来说就是服务其他的线程。而其他的线程只有一种，那就是用户线程。所以java里线程分2种：
1、守护线程，比如垃圾回收线程，就是最典型的守护线程。
2、用户线程，就是应用程序里的自定义线程。

守护线程

•  守护线程，专门用于服务其他的线程，如果其他的线程（即用户自定义线程）都执行完毕，连main线程也执行完毕，那么jvm就会退出（即停止运行）——此时，连jvm都停止运行了，守护线程当然也就停止执行了。
•  如果有用户自定义线程存在的话，jvm就不会退出——此时，守护线程也不能退出，也就是它还要运行，就是为了执行垃圾回收的任务。
•  守护线程又被称为“服务进程”“精灵线程”“后台线程”，是指在程序运行是在后台提供一种通用的线程，这种线程并不属于程序不可或缺的部分。 通俗点讲，任何一个守护线程都是整个JVM中所有非守护线程的“保姆”。

用户自定义线程

•  应用程序里的线程，一般都是用户自定义线程。
•  用户也可以在应用程序代码自定义守护线程，只需要调用Thread类的设置方法设置一下即可。
•  用户线程和守护线程几乎一样，唯一的不同之处就在于如果用户线程已经全部退出运行，只剩下守护线程存在了，JVM也就退出了。 因为当所有非守护线程结束时，没有了被守护者，守护线程也就没有工作可做了，也就没有继续运行程序的必要了，程序也就终止了，同时会“杀死”所有守护线程。 也就是说，只要有任何非守护线程还在运行，程序就不会终止。

在Java语言中，守护线程一般具有较低的优先级，它并非只由JVM内部提供，用户在编写程序时也可以自己设置守护线程，例如将一个用户线程设置为守护线程的方法就是在调用start()方法启动线程之前调用对象的setDaemon(true)方法，若将以上括号里的参数设置为false，则表示的是用户进程模式。
需要注意的是，当在一个守护线程中产生了其它线程，那么这些新产生的线程默认还是守护线程，用户线程也是如此。

2.4 线程同步机制
-- 当多个线程同时访问同一种共享资源时，可能会造成数据的覆盖等不一致性问题，此时就需要对线程之间进行通信和协调，该机制就叫做线程的同步机制。
-- 多个线程并发读写同一个临界资源时会发生线程并发安全问题。
-- 异步操作:多线程并发的操作，各自独立运行。
-- 同步操作:多线程串行的操作，先后执行的顺序。
2.4.1 实现方式
    在Java语言中使用synchronized关键字来实现同步/对象锁机制从而保证线程执行的原子性。

•    使用同步代码块的方式实现部分代码的锁定，格式如下：
        synchronized(类类型的引用) {
           编写所有需要锁定的代码；
         }
•    使用同步方法的方式实现所有代码的锁定。直接使用synchronized关键字来修饰整个方法即可。
  该方式等价于:
        synchronized(this) { 整个方法体的代码 }
•    当我们对一个静态方法加锁，如:public synchronized static void xxx(){….}
  那么该方法锁的对象是类对象。每个类都有唯一的一个类对象。获取类对象的方式:类名.class。
  静态方法与非静态方法同时使用了synchronized后它们之间是非互斥关系的。
  原因在于：静态方法锁的是类对象而非静态方法锁的是当前方法所属对象。

2.4.2 线程安全类和不安全类
   StringBuffer类是线程安全的类，但StringBuilder类不是线程安全的类。
   Vector类和 Hashtable类是线程安全的类，但ArrayList类和HashMap类不是线程安全的类。
   Collections.synchronizedList() 和 Collections.synchronizedMap()等方法实现安全。

2.4.3 什么是死锁
   死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

2.4.4 Lock（锁）实现线程同步
   -- 从Java5开始提供了更强大的线程同步机制---使用显式定义的同步锁对象来实现。
   -- java.util.concurrent.locks.Lock接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。
   -- 该接口的主要实现类是ReentrantLock类，该类拥有与synchronized相同的并发性，在以后的线程安全控制中，经常使用ReentrantLock类显式加锁和释放锁。

常用的方法：

方法声明	功能介绍
ReentrantLock(）	使用无参方式构造对象
void lock()	获取锁
void unlock()	释放锁

-- Lock与synchronized方式的比较：

•   Lock是显式锁，需要手动实现开启和关闭操作，而synchronized是隐式锁，执行锁定代码后自动释放。
•   Lock只有同步代码块方式的锁，而synchronized有同步代码块方式和同步方法两种锁。
•   使用Lock锁方式时，Java虚拟机将花费较少的时间来调度线程，因此性能更好。

2.4.5 Object类常用的方法

方法声明	功能介绍
void wait()	用于使得线程进入等待状态，直到其它线程调用notify()或notifyAll()方法
void wait(long timeout)	用于进入等待状态，直到其它线程调用方法或参数指定的毫秒数已经过去为止
void notify()	用于唤醒等待的单个线程
void notifyAll()	用于唤醒等待的所有线程

2.4.6 线程池

• 从Java5开始新增加创建线程的第三种方式为实现java.util.concurrent.Callable接口

方法声明	功能介绍
V call()	计算结果并返回

• java.util.concurrent.FutureTask类用于描述可取消的异步计算，该类提供了Future接口的基本实现，包括启动和取消计算、查询计算是否完成以及检索计算结果的方法，也可以用于获取方法调用后的返回结果。

方法声明	功能介绍
FutureTask(Callable callable)	根据参数指定的引用来创建一个未来任务
V get()	获取call方法计算的结果

(1) 线程池的由来
  -- 在服务器编程模型的原理，每一个客户端连接用一个单独的线程为之服务，当与客户端的会话结束时，线程也就结束了，即每来一个客户端连接，服务器端就要创建一个新线程。
  -- 如果访问服务器的客户端很多，那么服务器要不断地创建和销毁线程，这将严重影响服务器的性能。

  -- 线程池的概念：首先创建一些线程，它们的集合称为线程池，当服务器接受到一个客户请求后，就从线程池中取出一个空闲的线程为之服务，服务完后不关闭该线程，而是将该线程还回到线程池
中。
  -- 在线程池的编程模式下，任务是提交给整个线程池，而不是直接交给某个线程，线程池在拿到任务后，它就在内部找有无空闲的线程，再把任务交给内部某个空闲的线程，任务是提交给整个线程池，一个线程同时只能执行一个任务，但可以同时向一个线程池提交多个任务。

(2) 相关类和方法
  从Java5开始提供了线程池的相关类和接口：java.util.concurrent.Executors类和java.util.concurrent.ExecutorService接口。

• Executors是个工具类和线程池的工厂类，可以创建并返回不同类型的线程池。
  常用方法：

方法声明	功能介绍
static ExecutorService newCachedThreadPool()	创建一个可根据需要创建新线程的线程池
static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)	创建一个可重用固定线程数的线程池
static ExecutorService newSingleThreadExecutor()	创建一个只有一个线程的线程池

• ExecutorService接口是真正的线程池接口，主要实现类是ThreadPoolExecutor。
  常用方法：

方法声明	功能介绍
void execute(Runnable command)	执行任务和命令，通常用于执行Runnable
Future submit(Callable task)	执行任务和命令，通常用于执行Callable
void shutdown()	启动有序关闭