Java工具包之轻松理解Java中的IO与NIO

2020-09-16

IO是计算机中Input和Output简称，即输入和输出。无论是系统、还是语言的设计中IO的设计都是异常复杂的。JAVA语言在IO设计方面是比较成功的，不仅是面向对象，而且利用装饰器设计模式（后面会写针对设计模式的文章）减少了大量的类，提供了较好的扩展性。

那Java IO怎么写入/读取数据？

Java IO类库可以分为输入流和输出流，输入流来读数据，输出流来写数据。

输出流

实例代码一：

    //输出流
    public static void outputStream() throws IOException{        //创建一个File实例        File file = new File("/home/wenhaibo/IOTest.txt");
        //FileOutputStream为文件输出流        FileOutputStream out = new FileOutputStream(file);        //将内容转换为字节码输出        out.write("This is IOTest".getBytes());
        //强制输出内存中所有内容        out.flush();
        //关闭输出流        out.close();
    }

输入流

实例代码二：

    //输入流
    public static void inputStream() throws IOException{        //创建一个File实例        File file = new File("/home/wenhaibo/IOTest.txt");
        //FileInputStream为文件输入流        FileInputStream in = new FileInputStream(file);
        byte[] b = new byte[1024];
        //将 byte.length 个字节的数据读入一个 byte 数组中
        int len =in.read(b);
        //将字节码转为字符串打印输出        System.out.println(new String(b, 0, len));
        //关闭输入流        in.close();
    }

字节流和字符流

上面的实例中用的字节流方式写入/读取数据，Java IO不仅提供字节流方式还通过了字符流处理方式，处理字符流用Reader、Writer两个专门操作字符流的类。

Writer

实例代码三：

    //字符流
    public static void outputStreamWriter() throws IOException{        //创建一个File实例        File file = new File("/home/wenhaibo/IOTest.txt");
        //FileWriter为文件输出流        Writer out = new FileWriter(file);        //直接输出字符        out.write("This is IOTest");
        //强制输出内存中所有内容        out.flush();
        //关闭输出流        out.close();
    }

Reader

实例代码四：

    public static void inputStreamReader() throws IOException{
        //创建一个File实例        File file = new File("/home/wenhaibo/IOTest.txt");
        //Reader为文件输入流        Reader in=new FileReader(file);
        char[] c=new char[1024];
        //将 byte.length 个字节的数据读入一个 byte 数组中
        int len =in.read(c);
        //将字节码转为字符串打印输出        System.out.println(new String(c, 0, len));
        //关闭输入流        in.close();
    }

缓冲流

Java缓冲流是在输入流和输出流之上进行了一次包装（装饰器设计模式），目的是解决频繁写入/读取数据时效率差的问题。缓冲流先将数据缓存起来，然后一起写入或读取出来。

字节缓冲流类：BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream

字符缓冲流类：BufferedReader 和 BufferedWriter

flush()方法

当向文件写入数据时是先将输出流写入到缓冲区，当缓冲区写满后才将缓冲区的内容输出到文件中。但是当主机完成输出流的输出后，有可能缓冲区这个时候还没有被填满，这样的话，就会一直等待主机发送内容，这时候，就可以使用flush()方法将缓冲区的内容强制输出到文件中，清空缓冲区。

所以，一般在关闭输出流之前，要先调用flush()方法强制缓冲区中的内容输出，并清空缓冲区。

Java NIO的出现

因为传统的IO是阻塞而且低效的，JDK 1.4 提供了NIO（New IO）API。

那传统的IO和NIO有哪些不同？

面向流与面向缓冲

传统IO处理数据就像“小鸡啄米”，而NIO则是“狼吞虎咽”。

NIO中引入了缓冲区的概念，缓冲区作为传输数据的基本单位块，所有对数据的操作都是基于将数据移进/移出缓冲区而来；读数据的时候从缓冲区中取，写的时候将数据填入缓冲区。尽管传统JavaIO中也有相应的缓冲区过滤器流（BufferedInputStream等），但是移进/移出的操作是由程序员来包装的，它本质是对数据结构化和积累达到处理时的方便，并不是一种提高I/O效率的措施。NIO的缓冲区则不然，对缓冲区的移进/移出操作是由底层操作系统来实现的。

除了效率上的差别外，缓冲区在数据分析和处理上也带来的很大的便利和灵活性。

阻塞与非阻塞IO

传统JavaIO是基于阻塞I/O模型。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

Java NIO 核心API

Java NIO 中Channel，Buffer 和 Selector 构成了核心的API。

Channel

Channel（通道）和IO中的流是差不多一个等级的。只不过流是单向的，譬如：InputStream, OutputStream.而Channel是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。

NIO中的Channel的主要实现有：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

分别可以对应文件IO、UDP和TCP（Server和Client）。

Buffer

NIO中的关键Buffer实现有：ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer，分别对应基本数据类型: byte, char, double, float, int, long, short。

选择器（Selectors）

Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，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。

实例代码五：

   //使用NOI输出
    public static void inputNIOChannel() throws IOException {        //创建一个File实例        File file = new File("/home/wenhaibo/IOTest.txt");
        //FileInputStream为文件输入流        FileInputStream in = new FileInputStream(file);
        //缓冲器向通道输入数据        FileChannel fileChannel = in.getChannel();
        //创建一个容量为1024字节的ByteBuffer
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
        //写入数据到Buffer        int bytesRead = fileChannel.read(buf);
        while(bytesRead != -1)
        {            //回绕缓冲区（输出通道会从数据的开头而不是末尾开始）            buf.flip();            while(buf.hasRemaining())
            {                System.out.print((char)buf.get());
            }            /**             * 压缩此缓冲区，compact方法会执行两个动作             * 1.清除之前写好的字符
             * 2.通过标记位置为0
             * 这就为什么要结合filp()使用             */            buf.compact();            //写入数据到Buffer            bytesRead = fileChannel.read(buf);
        }    }

实际应用中在不考虑并发和读取/写入数据使用频率比较高的情况下Java IO已经可以胜任，但在使用到网络IO中Java IO已经不能满足实际需求，Java NIO 无疑是更好的选择。