Java的IO和NIO

2018-05-26 本文已影响35人王小冬

Java的IO和NIO

一、Java的IO

Java的IO功能在java.io包下，包括输入、输出两种IO流，每种输入、输出流又可分为字节流和字符流两大类。字节流以字节（8位）为单位处理输入输出，字符流以字符（16位）为单位来处理输入输出。

1.1 流的分类

输入输出流

Java的输入流主要有InputStream和Reader作为基类，而输出流主要由OutputStream和Writer作为基类。他们是一些抽象类，无法直接创建实例。

字节流和字符流

处理字节流：InputStream、OutputStream；

处理字符流：Reader、Writer。

节点流和处理流

节点流：可以直接从IO设备（如磁盘、网络）读写数据的流称为节点流，也被称为低级流，比如，处理文件的输入流：FileInputStream和FileReader；

处理流：对一个已存在的流进行连接和封装，通过封装后的流来实现数据读写功能，也被称为高级流，比如PrintStream。

当使用节点流时，程序可以直接连接到实际的数据源。当使用处理流时，程序并不会直接连接到实际的数据源。

使用处理流的好处就是，只要使用相同的处理流，程序就可以采用完全相同的输入输出代码来访问不同的数据源，随着处理流所包装节点流的变化，程序实际访问的数据源也会相应的发生改变。实际上这是一种装饰者模式，处理流也被称为包装流。通过使用处理流，Java程序无须理会输入输出节点是磁盘还是网络，还是其他设备，程序只要将这些节点流包装成处理流，就可以使用相同的输入输出代码来读写不同设备上的数据。

识别处理流很简单，主要流的构造参数不是一个物理节点，而是已经存在的流；而节点流都是直接以物理IO节点作为构造器参数的。比如FileInputStream的构造器是FileInputStream(String name)和

FileInputStream(File file)，那么它就是一个节点流，再比如PrintStream的构造器是PrintStream(OutputStream out)，那么它就是一个处理流。

使用处理流的优点

对开发人员来讲，使用处理流进行输入输出操作更简单；
使用处理流的执行效率更高。

使用节点流的例子：

package com.wangjun.othersOfJava;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
/*
 * 节点流演示
 */
public class FileInputStreamTest {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //读取文件
        FileInputStream fis = new FileInputStream("README.md");
        //写入文件
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("test.md"));
        //定义每次读取的字节数，保存在b中
        byte[] b = new byte[12];
        //read方法返回实际读取的字节数
        int hasRead = 0;
        while((hasRead = fis.read(b)) > 0) {
            System.out.println("hasRead:" + hasRead);
            System.out.println(new String(b, 0, hasRead));
            fos.write(b, 0, hasRead);
        }
        fis.close();
    }

}

使用处理流的例子：

package com.wangjun.othersOfJava;

import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.PrintStream;

/*
 * 处理流演示
 * 程序使用了PrintStream包装了FileOutputStream节点流输出流，使用println输入字符和对象
 * PrintStream输出功能非常强大，我们平时常用的System.out.println()就是使用的PrintStream
 */
public class PrintStreamTest {

    public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException {
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream("print.md");
        PrintStream ps = new PrintStream(fos);
        ps.println("test1");
        ps.println("test2");
        ps.println(new PrintStreamTest());
    }

}

1.2 Java的IO体系

Java的IO体系提供了将近40个类。

下面将常用的一些类做一下分类汇总。其中粗体的为处理流。

分类	字节输入流	字节输出流	字符输入流	字符输出流
基类	InputStream	OutputStream	Reader	Writer
文件	FileInputStream	FileOutputStream	FileReader	FileWriter
数组	ByteArrayInputStream	ByteArrayOutputStream	CharArrayReader	CharArrayWriter
字符串			StringReader	StringWriter
管道	PipedInputStream	PipedOutputStream	PipedReader	PipedWriter
缓冲流	BufferedInputStream	BufferedOutputStream	BufferedReader	BufferedWriter
转换流			InputStreamReader	OutputStreamWriter
对象流	ObjectInputStream	ObjectOutputStream
打印流		PrintStream		PrintWriter
推回输入流	PushbackInputStream		PushbackReader

通常来说，我们认为字节流的功能比字符流的功能强大，因为计算机里所有的数据都是二进制的，而字节流可以处理所有的二进制文件，但问题就是如果使用字节流处理文本文件，则需要使用合适的方式将这些字节转换成字符，这就增加了编程的复杂度。

所以通常有这么一个规则：如果进行输入输出的内容是文本内容，则应考虑使用字符流；如果进行输入输出的内容是二进制内容，则应该考虑用字节流。

注意1：我们一般把计算机的文件分为文本文件和二进制文件，其实计算机所有的文件都是二进制文件，当二进制文件内容恰好能被正常解析成字符时，则该二进制文件就变成了文本文件。

注意2：上面的表格中列举了4种访问管道的流，它们都是用于实现进程之间通信功能的。

1.3 转换流

上面的表格中列举了java提供的两个转换流。InputStreamReader和OutputStreamWriter用于将字节流转换成字符流。为什么要这么做呢？前面提到了字节流的功能比较强大，字符流使用起来方便，如果有一个字节流内容都是文本内容，那么将它转换成字符流更方便操作。

代码实例

package com.wangjun.othersOfJava;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;

/*
 * 字节流转字符流示例
 * System.in是键盘输入，是InputStream(字节流)的实例，因为键盘输入都是字符，所以转换成字符流操作更方便
 * 普通的Reader读取内容时依然不方便，可以包装成BufferedReader，利用BufferedReader的readLine()方法
 * 可以一次读取一行内容
 */
public class InputStreamReaderTest {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        InputStreamReader isr = new InputStreamReader(System.in);
        BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
        String buffer = null;
        while((buffer = br.readLine()) != null) {
            if(buffer.equals("exit")) {
                System.out.println("bye bye!");
                System.exit(1);
            }
            System.out.println("输入内容为：" + buffer);
        }
    }
}

BufferedReader具有一个readLine方法，可以非常方便的一次读取一行内容，所以经常把读取文本的输出流包装成BufferedReader，用来方便的读取输入流中的文本内容。

1.4 推回输入流

在java的IO体系中提供了两个特殊的流，PushbackInputStream和PushbackReader。它们提供了unread方法用于将字节/字符推回到推回缓冲区里面，从而允许读取刚刚读取的内容。

它们带有一个推回缓冲区，程序调用read方法时总是先从推回缓冲区里面读取，只有完全读取了推回缓冲区的内容，并且还没有装满read所需的数组时才会从原始输入流中读取。

代码实例

package com.wangjun.othersOfJava;

import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
import java.io.PushbackReader;

/*
 * 推回缓冲流测试
 * 如果文件中包含LeetCode就把LeetCode周边的字符打印出来
 */
public class PushbackReaderTest {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //推回缓冲区的长度为64
        PushbackReader pr = new PushbackReader(new FileReader("README.md"), 64);
        char[] cbuf = new char[16];
        int hasRead = 0;
        String lastRead = "";
        while((hasRead = pr.read(cbuf)) > 0) {
            String str = new String(cbuf, 0, hasRead);
            if((lastRead + str).contains("LeetCode")) {
                //推回到缓冲区
                pr.unread(cbuf, 0, hasRead);
                //这一次会先读取缓冲区的内容
                hasRead = pr.read(cbuf);
                //打印字符
                System.out.println(new String(cbuf, 0 ,hasRead));
                System.out.println("lastRead:" + lastRead);
                pr.close();
                return;
            }else {
                lastRead = str;
            }
        }
        pr.close();
    }

}

1.5 重定向标准输入输出

Java的标准输入输出分别通过System.in和System.out来代表，默认情况下他们代表键盘和显示器，在System类里面提供了3个重定向的方法：setError(PrintStream err)、setIn(IputStream in)、setOut(PrintStream out)。

代码实例

package com.wangjun.othersOfJava;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.PrintStream;
import java.util.Scanner;

/*
 * 将System.out重定向到文件，而不是屏幕
 */
public class SystemInRedirect {

    public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException {
        // 重定向标准输出
        PrintStream ps = new PrintStream(new FileOutputStream("out.md"));
        // 将标准输出重定向到ps流
        System.setOut(ps);
        // 后面打印的内容就会打印到ps中，而不是Console控制台
        System.out.println("test1");
        System.out.println(new SystemInRedirect());

        // 重定向标准输入
        FileInputStream fis = new FileInputStream("test.md");
        System.setIn(fis);
        Scanner s = new Scanner(System.in);
        s.useDelimiter("\n");
        while (s.hasNext()) {
            System.out.println("获取到的输入内容是：" + s.next());
        }
        s.close();
    }
}

1.6 Java虚拟机读写其他进程的数据

Runtime对象的exec()方法可以运行平台上的其他程序，该方法产生一个Process对象，Process对象代表由该Java程序启动的子进程。Process提供了如下3个方法用于程序和其子进程进行通信：

InputStream getErrorStream()：获取子进程的错误流；
InputStream getInputStream()：获取子进程的输入流；
OutputStream getOutputStream()：获取子进程的输出流。

代码实例

package com.wangjun.othersOfJava;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintStream;
import java.util.Scanner;

/*
 * 读取其他进程的输出信息
 */
public class ReadFromProcess {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1. 读取其他进程的数据
        // 运行javac命令，返回该命令的子进程
        Process p = Runtime.getRuntime().exec("javac");
        // 以p进程的错误流创建BufferedReader对象
        // 这个错误流对本程序是输入流，对p进程则是输出流
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(p.getErrorStream()));
        String buff = null;
        while ((buff = br.readLine()) != null) {
            System.out.println(buff);
        }

        // 2. 将数据输出到其他程序
        Process p2 = Runtime.getRuntime().exec("java ReadStandard");
        PrintStream ps = new PrintStream(p2.getOutputStream());
        ps.println("普通字符串");
        ps.println(new ReadFromProcess());
        System.out.println(222);
    }
}

class ReadStandard {
    public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException {
        try (Scanner s = new Scanner(System.in); 
            PrintStream ps = new PrintStream(new FileOutputStream("out.md"))) {
            s.useDelimiter("\n");
            while (s.hasNext()) {
                ps.println("输入内容是：" + s.next());
            }
        }
    }
}

输出到其他程序，代码运行没有成功，待分析...

Java的NIO

BufferedReader有一个特征，就是读取输入流中的数据时，如果没有读到有效数据，程序将在此处阻塞该线程的执行（使用InputStream的read方法从流中读取数据时，也有这样的特性），java.io下面的输入输出流都是阻塞式的。不仅如此，传统的输入输出流都是通过字节的移动来处理的，及时我们不直接去处理字节流，单底层的实现还是依赖于字节处理，也就是说，面向流的输入输出系统一次只能处理一个字节，因此面向流的输入输出系统通常效率都不高。

为了解决上面的问题，NIO就出现了。NIO采用内存映射文件来处理输入输出，NIO将文件或文件的一段区域映射到内存中，这样就可以像访问内存一样来访问文件了。（这种方式模拟了操作系统上虚拟内存的概念），通过这种方式进行输入输出要快得多。

Channel（通道）和Buffer（缓冲）是NIO中两个核心对象。Channel是对传统的输入输出系统的模拟，在NIO系统中所有的数据都需要通过通道传输，Channel与传统的InputStream、OutputStream最大的区别就是提供了一个map()方法，通过它可以直接将“一块数据”映射到内存中。如果说传统IO是面向流的处理，那么NIO是面向块的处理。

Buffer可以被理解为一个容器，它的本质是一个数组，发送到Channel中所有的对象都必须首先放到Buffer中，从而Channel中读取的数据也必须先放到Buffer中。Buffer既可以一次次从Channel取数据，也可以使用Channel直接将文件的某块数据映射成Buffer。

除了Channel和Buffer之外，NIO还提供了用于将Unicode字符串映射成字节序列以及逆映射操作的Charset类，也提供了用于支持非阻塞式输入输出的Selector类。其中Selector是非阻塞IO的核心。ß

Buffer介绍

在Buffer中有三个重要的概念：

容量（capacity）：表示Buffer的大小，创建后不能呢过改变；
界限（limit）：第一个不能被读写的缓冲区的位置，也就是后面的数据不能被读写；
位置（position）：用于指明下一个可以被读写的缓冲区位置索引。当从Channel读取数据的时候，position的值就等于读到了多少数据。

Buffer的主要作用就是装入数据，然后输出数据。当装入数据结束时，调用flip()方法，该方法将limit设为position所在位置，将position的值设为0，为输出数据做好准备。当输出数据结束后，调用clear()方法，将position的值设为0，limit设为capacity，为下一次的装入数据做准备。

常用的Buffer是CharBuffer和ByteBuffer。

使用put()和get()方法进行数据的放入和读取，分为相对和绝对两种：

相对：从Buffer当前position位置开始读取或者写入数据，然后将position的值按处理元素的个数增加；
绝对：直接根据索引向Buffer中读取和写入数据，使用绝对方式访问Buffer里的数据时，不会影响position的值。

代码示例

package com.wangjun.othersOfJava;

import java.nio.CharBuffer;

public class NIOBufferTest {

    public static void main(String[] args) {
        //创建CharBuffer
        CharBuffer cb = CharBuffer.allocate(8);
        System.out.println("capacity:" + cb.capacity());
        System.out.println("limit:" + cb.limit());
        System.out.println("position:" + cb.position());
        //放入元素
        cb.put('a');
        cb.put('b');
        cb.put('c');
        System.out.println("加入三个元素后，position:" + cb.position());
        cb.flip();
        System.out.println("执行flip()后，limit:" + cb.limit());
        System.out.println("执行flip()后，position:" + cb.position());
        System.out.println("取出第一个元素： " + cb.get());
        System.out.println("取出第一个元素后，position：" + cb.position());
        //调用clear方法
        cb.clear();
        System.out.println("执行clear()后，limit:" + cb.limit());
        System.out.println("执行clear()后，position:" + cb.position());
        System.out.println("执行clear()后，数据没有清空，第三个值是:" + cb.get(2));
        System.out.println("执行绝对读取后，position：" + cb.position());
    }

}

通过allocate方法创建的是普通Buffer，还可以通过allocateDirect方法来创建直接Buffer，虽然创建成本比较高，但是读写快。因此适用于长期生存的Buffer，使用方法和普通Buffer类似。注意，只有ByteBuffer提供了此方法，其他类型的想用，可以将该Buffer转成其他类型的Buffer。

Channel（通道）介绍

Channel类似传统的流对象，主要区别如下：

Channel可以直接将指定文件的部分或全部直接映射成Buffer。
程序不能直接访问Channel中的数据，只能通过Buffer交互。

所有的Channel都不应该通过构造器来创建，而是通过传统的InputStream、OutputStream的getChannel()方法来返回对应的Channel，不同的节点流获取的Channel不一样，比如FileInputStream返回的是FileChannel。

Channel常用的方法有三类：map()、read()、write()。map方法将Channel对应的部分或全部数据映射成ByteBuffer；read和write方法都有一系列的重载形式，这些方法用于从Buffer中读取/写入数据。

代码示例

package com.wangjun.othersOfJava;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.CharBuffer;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.CharsetDecoder;

/*
 * 将FileChannel的全部数据映射成ByteBuffer
 */
public class NIOChannelTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        File f = new File("NIOChannelTest.md");
        //java7新特性try括号内的资源会在try语句结束后自动释放，前提是这些可关闭的资源必须实现 java.lang.AutoCloseable 接口。
        try(
            FileChannel inChannel = new FileInputStream(f).getChannel();
            FileChannel outChannel = new FileOutputStream("a.md").getChannel();
                ){
            //将FileChannel的全部数据映射成ByteBuffer
            //map方法的三个参数：1映射模式；2,3控制将哪些数据映射成ByteBuffer
            MappedByteBuffer buffer = inChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, f.length());
            //直接将buffer的数据全部输出，完成文件的复制： NIOChannelTest.md -> a.md
            outChannel.write(buffer);
            
            //以下为了输出文件字符串内容
            //使用GBK字符集来创建解码器
            Charset charset = Charset.forName("GBK");
            //复原limit和position的位置
            buffer.clear();
            //创建解码器
            CharsetDecoder decoder = charset.newDecoder();
            //使用解码器将ByteBuffer转成CharBuffer
            CharBuffer charBuffer = decoder.decode(buffer);
            System.out.println(charBuffer);
        }
    }

}

除了上面的一次性取数据，也可以分多次取数据

//如果Channel对应的文件过大，使用map方法一次性将所有文件内容映射到内存中可能会因此性能下降
//这时候我们可以适应Channel和Buffer进行多次重复取值
public static void getDataByArray() throws Exception {
  try(
    //创建文件输入流
    FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("NIOChannelTest.md");
    FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();
  ){
    //定义一个ByteBuffer对象，用于重复取水
    ByteBuffer bbuff = ByteBuffer.allocate(64);
    while(fileChannel.read(bbuff) != -1) {
      bbuff.flip();
      Charset charset = Charset.forName("GBK");
      //创建解码器
      CharsetDecoder decoder = charset.newDecoder();
      //使用解码器将ByteBuffer转成CharBuffer
      CharBuffer charBuffer = decoder.decode(bbuff);
      System.out.println(charBuffer);
      //为下一次读取数据做准备
      bbuff.clear();
    }
  }
}

Selector（选择器）介绍

Selector选择器类管理着一个被注册的通道集合的信息和它们的就绪状态。通道是和选择器一起被注册的，并且使用选择器来更新通道的就绪状态。利用 Selector可使一个单独的线程管理多个 Channel，selector 是非阻塞 IO 的核心。

应用

当通道使用register（Selector sel, int ops）方法将通道注册选择器时，选择器对通道事件进行监听，通过第二个参数指定监听的事件类型。

其中可监听的事件类型包括以下：

读 : SelectionKey.OP_READ

写 : SelectionKey.OP_WRITE

连接 : SelectionKey.OP_CONNECT

接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT

如果需要监听多个事件可以使用位或操作符：

int key = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE ; //表示同时监听读写操作

参考：

https://blog.csdn.net/dd864140130/article/details/50299687

https://www.cnblogs.com/qq-361807535/p/6670529.html

https://blog.csdn.net/dd864140130/article/details/50299687

文件锁

在NIO中，Java提供了文件锁的支持，使用FileLock来支持文件锁定功能，在FileChannel中提供lock()/tryLock()方法来获取文件锁FileLock对象，从而锁定文件。lock和tryLock的区别是前者无法得到文件锁的时候会阻塞，后者不会阻塞。也支持锁定部分内容，使用lock(long position, long size, boolean shared)即可，其中shared为true时，表明该锁是一个共享锁，可以允许多个县城读取文件，但阻止其他进程获得该文件的排他锁。当shared为false时，表明是一个排他锁，它将锁住对该文件的读写。

默认获取的是排他锁。

代码示例

package com.wangjun.othersOfJava;

import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.FileLock;

public class FileLockTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        try(
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream("a.md");
            FileChannel fc = fos.getChannel();
                ){
            //使用非阻塞方式对指定文件加锁
            FileLock lock = fc.tryLock();
            Thread.sleep(3000);
            lock.release();//释放锁
        }
    }
}

Java的NIO2

Java7对原来的NIO进行了重大改进：

提供了全面的文件IO和文件系统访问支持；
基于异步Channel的IO。

这里先简单介绍一下对文件系统的支持，后续继续学习。

NIO2提供了一下接口和工具类：

Path接口：通过和Paths工具类结合使用产生Path对象，可以获取文件根路径、绝对路径、路径数量等；
Files工具类：提供了很多静态方法，比如复制文件、一次性读取文件所有行、判断是否为隐藏文件、判断文件大小、遍历文件和子目录、访问文件属性等；
FileVisitor接口：代表一个文件访问器，Files工具类使用walkFileTree方法遍历文件和子目录时，都会触发FileVisitor中相应的方法，比如访问目录之前、之后，访问文件时，访问文件失败时；
WatchService：监控文件的变化；

NIO和IO的区别

Java的NIO提供了与标准IO不同的工作方式：

Channels and Buffers（通道和缓冲区）：标准的IO基于字节流和字符流进行操作的，没有被缓存在任何地方，而NIO是基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中，因此可以前后移动流中的数据；
Asynchronous IO（异步IO）：Java NIO可以让你异步的使用IO，例如：当线程从通道读取数据到缓冲区时，线程还是可以进行其他事情。当数据被写入到缓冲区时，线程可以继续处理它。从缓冲区写入通道也类似。因为NIO将阻塞交给了后台线程执行，非阻塞IO的空余时间可以用于其他通道上进行IO，因此可以一个线程可以管理多个通道，而IO是阻塞的，阻塞式的IO每个连接必须开一个线程来处理，每个线程都需要珍贵的CPU资源，等待IO的时候，CPU资源没有被释放就被浪费掉了。
Selectors（选择器）：选择器允许一个单独的线程可以监听多个数据通道（（网络连接或文件），你可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道。但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。

使用场景

NIO

优势在于一个线程管理多个通道；但是数据的处理将会变得复杂；
如果需要管理同时打开的成千上万个连接，这些连接每次只是发送少量的数据，采用这种；

传统的IO

适用于一个线程管理一个通道的情况；因为其中的流数据的读取是阻塞的；
如果需要管理同时打开不太多的连接，这些连接会发送大量的数据；

参考：BIO、NIO、AIO

https://blog.csdn.net/anxpp/article/details/51512200

http://bbym010.iteye.com/blog/2100868

Netty简介

Netty是一个java开源框架。Netty提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具，用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序。

Netty是一个NIO客户端、服务端框架。允许快速简单的开发网络应用程序。例如：服务端和客户端之间的协议。它最牛逼的地方在于简化了网络编程规范。例如:TCP和UDP的Socket服务。

Java的IO和NIO

Java的IO和NIO

一、Java的IO

1.1 流的分类

1.2 Java的IO体系

1.3 转换流

1.4 推回输入流

1.5 重定向标准输入输出

1.6 Java虚拟机读写其他进程的数据

Java的NIO

Buffer介绍

Channel（通道）介绍

Selector（选择器）介绍

文件锁

Java的NIO2

NIO和IO的区别

使用场景

Netty简介

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