java基础——IO

I/O作为作为人机交互的核心问题，很多web应用系统的瓶颈都是I/O瓶颈。本文主要总结java的I/O类库基本架构以及磁盘I/O、网络I/O工作机制。

1. 基础概念

编程语言I/O类库常使用流这个抽象概念，流是一个数据序列，有顺序的，有起点和终点的字节集合，是对数据传输的总成或抽象。“流”屏蔽了实际I/O设备中处理数据的细节。
流可不同维度进行分类：

按数据传输单位：
字节流：每次读到一个字节就返回一个字节，可以处理所有类型的数据对应基类InputStream和OutputStream
字符流：每次读到一个字符（1个或多个字节：中文对应的字节数是两个，在UTF-8码表中是3个字节），先去查指定的编码表，将查到的字符返回。字符流是对字节流进行了封装，方便操作。在底层，所有的输入输出都是字节形式的，对应基类Write和Reader。

按数据处理方向：
输入流：只能从中读取数据，由InputStream（字节流）和Reader（字符流）作为基类
输出流：只能向其写入数据，由OutputStream（字节流）和Writer（字符流）作为基类

2. java I/O类库

java I/O类库关系
功能划分：

• File关联类：FileReader, FileWriter, FileInputStream and FileOutputStream.
• Array关联类：ByteArrayInputStream, ByteArrayOutputStream / CharArrayReader, CharArrayWriter.
• String关联类：StringReader and StringWriter
• Buffer关联类：BufferedInputStream, BufferedOutputStream, BufferedReader, BufferedWriter
• 字节流和字符流转换桥梁：**InputStreamReader ** 和 OutputStreamWriter

IO流操作的基本步骤：

1. open（创建一个输入或输出流关联具体设备（网络、磁盘等））
2. read/write（从输入流读取数据或像输出流写入数据）
3. close（关闭输入或输出流）

磁盘IO工作机制示意图：

磁盘IO读流程

上述流程示例代码

String src = "/Users/chenchen/code/java/Person.txt";
String dest = "/Users/chenchen/code/java/file.txt";
BufferedInputStream in = null;
BufferedOutputStream out = null;
try {    
        in = new BufferedInputStream(new FileInputStream(src));    
        out = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(dest)); 
        byte[] files = new byte[1024];    
        int tmp = 0;    
        while ((tmp = in.read(files)) != -1){        
             out.write(files, 0, tmp);    
        }
} catch (Exception e) {    
        e.printStackTrace();
} finally {    
        try {        
               in.close();        
               out.close();    
        } catch (IOException e) {        
              e.printStackTrace();    
       }
}

建议所有磁盘相关IO操作使用Buffer
磁盘设备由操作系统管理，所以磁盘相关读取和写入IO操作都是调用操作系统提供的接口。系统调用就可能存在内核空间地址和用户空间地址切换的问题，这个操作在保证安全性同时导致多余的耗时。读写单个byte就显得很耗费时间，IO类库提供了Buffer相关的类来加速IO操作。

3. 序列化

java序列化就是将一个对象转换成一串二进制表示的字节数组，通过转移或者保存这些数据达到持久化的目的。反序列化必须有该类的原始模板，才能达到还原该对象的目的。需要进行序列化的对象只需要实现Seriaizable接口

3.1 什么时候需要序列化

• 当你想把的内存中的对象保存到一个文件中或者数据库中时候；
• 当你想用套接字在网络上传送对象的时候；
• 当你想通过RMI传输对象的时候；

3.2 关于java序列化几点说明

1. 当一个父类实现序列化，子类自动实现序列化，不需要显式实现Serializable接口；
2. 如果序列化的属性是对象，则这个对象也必须实现Serializable接口，否则会报错；
3. static,transient后的变量不能被序列化；
4. 反序列化过程中，如果对象的属性有修改或删减，相应属性的值会丢失。

serialVersionUID说明
如果没有明确指定serialVersionUID，序列化的时候会根据字段和特定的算法生成一个serialVersionUID，当属性有变化时这个id发生了变化，所以反序列化的时候就会失败。抛出“本地classd的唯一id和流中class的唯一id不匹配”。
强烈建议 所有可序列化类都显式声明 serialVersionUID 值，原因是计算默认的 serialVersionUID 对类的详细信息具有较高的敏感性，根据编译器实现的不同可能千差万别，这样在反序列化过程中可能会导致意外的 InvalidClassException。
同时强烈建议使用 private 修饰符显示声明 serialVersionUID（如果可能），原因是这种声明仅应用于直接声明类 -- serialVersionUID 字段作为继承成员没有用处

3.3 java序列化对应IO类

java.io.ObjectOutputStream：表示对象输出流它的writeObject(Object obj)方法可以对参数指定的obj对象进行序列化，把得到的字节序列写到一个目标输出流中。
java.io.ObjectInputStream：表示对象输入流它的readObject()方法源输入流中读取字节序列，再把它们反序列化成为一个对象，并将其返回。
示例代码如下：

TestModel testModel = new TestModel();
Person person = new Person();
person.setName("cc");
person.setAge(12);
testModel.setPerson(person);
testModel.setId(1);
ObjectOutputStream out = null;
ObjectInputStream in = null;
try {    
    // 序列化    
    out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("test.txt")); 
    out.writeObject(testModel);    
    // 反序列化    
    in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("test.txt"));  
    TestModel result = (TestModel)in.readObject();
    }catch (Exception e){    
        e.printStackTrace();
    } finally {    
        try {       
             out.close();        
             in.close();    
    } catch (IOException e) {    
    }
}

示例中TestModel实现了Serializable接口，同时其引用属性Person也要实现Serializable接口否则会报错。

参考文档

https://www.ntu.edu.sg/home/ehchua/programming/java/J5b_IO.html
http://www.devinline.com/2015/10/internal-details-of-java-IO-classes.html