基础知识

IO流简介

IO，即(Input/Output)，也就是输入和输出。IO流在Java中分为输入流和输出流，根据数据的处理方式又分为字节流和字符流。

  • 为什么IO操作有字节流和字符流？
    • 在不知道编码类型的情况下，字节流操作容易出现乱码。
    • 字符流要通过Java虚拟机转换得到的，过程比较耗时。
    • 音频文件、图片等媒体文件用字节流较好，文字用字符流较好。

字节流

InputStream(字节输入流)

java.io.InputStream抽象类是所有字节输入流的父类。

  • 作用
    • 用于从源头(通常是文件)读取数据(字节信息)到内存中。

FileInputStream

  • 作用
    • 常用的字节输入流对象，可以指定文件路径，可以直接读取单字节数据，也可以读取至字节数组中。
  • 一般不直接单独使用，常与BufferedInputStream(字节缓冲输入流)搭配，如下面这段代码。
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    // 新建一个 BufferedInputStream 对象
    BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(new FileInputStream("inputFile.txt"));
    // 读取文件的内容并复制到 String 对象中
    String result = new String(bufferedInputStream.readAllBytes());
    System.out.println(result);

DataInputStream

  • 作用
    • 用于读取指定类型数据，例如int、boolean等，不能单独使用，必须结合FileInputStream
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      FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("inputFile.txt");
      //必须将fileInputStream作为构造参数才能使用
      DataInputStream dataInputStream = new DataInputStream(fileInputStream);
      //可以读取任意具体的类型数据
      dataInputStream.readBoolean();
      dataInputStream.readInt();
      dataInputStream.readUTF();

还有ObjectInputStream(反序列化，读取对象)等..

OutputStream(字节输出流)

java.io.OutputStream抽象类是所有字节输出流的父类。

  • 作用
    • 用于将数据(字节信息)写入到目的地(通常是文件)

FileOutputStream、DataOutputStream、ObjectOutputStream与Input差不多

字符流

Reader(字符输入流)

java.io.Reader抽象类是所有字符输入流的父类。常用的FileReader(读取字符文件)继承自InputStreamReader(字节流转换为字符流的桥梁)，InputStreamReader继承自Reader。

  • 作用
    • 用于从源头(通常是文件)读取数据(字符信息)到内存中。

Writer(字符输出流)

java.io.Writer抽象类是所有字节输出流的父类。常用的FileWriter(写入字符到文件)继承自OutputStreamWriter(字符流转换为字节李的桥梁)，继承自OutputStreamWriter继承自Writer。

  • 作用
    • 常用于将数据(字符信息)写入到目的地(通常是文件)

字节缓冲流

  • 是什么
    • 采用装饰器模式增强了InputStream和OutputStream子类对象的功能。有BufferedInputStream和BufferedOutputStream
    • 在调用write(int b)和read()这两个一次只读取一个字节的方法时，由于字节缓冲流内部有缓冲区，会将读取到的字节先存放在缓冲区。
  • 为什么
    • 由于IO操作十分消耗性能，所以采用缓冲流将数据加载至缓冲区，一次性读取/写入多个字节从而避免频繁的IO操作，提高传输效率。缓冲区本质上是一个字节数组，大小默认为8192字节，可自定义。

字符缓冲流

BufferedReader (字符缓冲输入流)和 BufferedWriter(字符缓冲输出流)类似于BufferedInputStream(字节缓冲输入流)和BufferedOutputStream(字节缓冲输入流)。

打印流

  • PrintStream(字节打印流)，是OutputStream的子类。
  • PrintWriter(字符打印流)，是Writer的子类
  • System.out实际上就是获取一个PrintStream对象，System.out.print就是调用PrintStream对象的write方法。

随机访问流

  • 作用
    • 支持跳转到文件任意位置进行读写的RandomAccessFile。在rw模式下若文件指针位置已有数据使用write方法会覆盖。
    • 常用于实现大文件的断点续传
  • 模式
    • r —— 只读模式
    • rw —— 读写模式
    • rws —— 相对于rw，rws 同步更新对“文件的内容”或“元数据”的修改到外部存储设备。
    • rwd —— rwd 同步更新对“文件的内容”的修改到外部存储设备。
  • 常用方法
    • seek(long pos) —— 设置文件指针偏移量，距离开头pos个字节。
    • getFilePointer() —— 获取文件指针当前位置。

设计模式

装饰器模式

装饰器模式(Decorator)可以在不改变原有对象的情况下拓展其功能。

  • 特点
    • 通过组合替代继承来扩展原始类的功能，通过实现或者继承该类的抽象父类或者实现的接口，在一些继承关系比较复杂的场景更加实用，例如I/O场景。
    • 必须有一个被装饰的对象(作为成员变量)
    • 必须拥有与被装饰对象相同的接口(多态调用，扩展需要)
    • 它可以给被装饰对象添加额外的功能
    • 可以对原始类嵌套使用多个装饰器，装饰器类需要跟原始类继承相同的抽象类或者实现相同的接口
      • 这段话看着很难理解，实际上就可以理解为辅助和ADC，都是英雄单位，辅助英雄通过各种技能来增强ADC的作用。

适配器模式

适配器(Adapter Pattern)模式主要用于接口互不兼容的类的协调工作，可以联想到日常使用的电源适配器，比如游戏机的欧版电源需要适配器才能在中国用。

  • 适配者(Adaptee)
    • 定义
      • 被适配的对象或者类
  • 适配器(Adapter)
    • 定义
      • 作用于适配者的对象或者类
    • 分类
      • 对象适配器
        • 通过组合关系来实现
      • 类适配器
        • 通过继承关系来实现
  • 案例
    • IO中的字符流就是基于适配器模式来做的(和字节流不同)
    • 通过对象适配器，将字节流对象适配成一个字符流对象，这样我们可以直接通过字节流对象来读取或者写入字符数据
    • InputStreamReader 和 OutputStreamWriter 就是两个适配器(Adapter)， 同时，它们两个也是字节流和字符流之间的桥梁。InputStreamReader 使用 **StreamDecoder(流解码器)对字节进行解码，实现字节流到字符流的转换， OutputStreamWriter 使用StreamEncoder(流编码器)**对字符进行编码，实现字符流到字节流的转换。
  • 与装饰器模式的区别
    • 装饰器模式
      • 更侧重于动态地增强原始类的功能，装饰器类需要跟原始类继承相同的抽象类或者实现相同的接口。
    • 适配器模式
      • 更侧重于让接口不兼容而不能交互的类可以一起工作。当我们调用适配器对应的方法时，适配器内部会调用适配者类或者和适配类相关的类的方法，这个过程透明的。类似于Type-C转USB的转接头，即插即用。
      • 适配器和适配者不惜要继承相同的抽象类或者实现相同的接口。

工厂模式

工厂模式用于创建对象,NIO(Non-Blocking IO，非阻塞)中大量用到了工厂模式。意图在于定义一个创建对象的接口，让其子类自己决定实例化哪一个工厂类，工厂模式使其创建过程延迟到子类进行。

观察者模式

主打一个监听，定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所以依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。

常见的I/O模型

BIO(Blocking I/O)

BIO属于同步阻塞IO模型

  • 同步阻塞IO模型中，应用程序发起accept()、read()、write()、connect()调用后，会一直阻塞，直到相关的操作等待完成之后才能继续后续代码处理。
  • 在低访问量情况下，程序能够正常运行，然而面对高并发的情况下，这个传统的BIO模型就无能为力。虽然可以创建多线程来面对高并发，但是系统的性能会大打折扣。
    BIO模型示例图

NIO(Non-blocking/New I/O)

NIO中的N不单纯是New的意思，也可以理解为Non-blocking。Java中的NIO。属于同步非阻塞模型，一个线程可以处理多个请求连接。对于高负载、高并发的应用，应使用NIO。

  • 适用于链接数目比较多且链接时间短的架构。
  • 核心组件
    • Channel(通道)
      • 是某一个实体(硬件设备/文件/网络套接字/程序)和操作系统底层I/O进行通信的桥梁
      • channel是双向的，可以读数据，也可以写数据。类似流但是流是单向的。
    • Selector(多路复用器/选择器)
      • 是单线程处理多个请求的核心组件
      • 服务端客户端会轮询调用selector的select()方法获取事件，此方法是一个阻塞方法，如果当前没有事件产生，就会阻塞。有事件产生例如新客户端连接等，select()方法会结束，此时从selector中就能获取一个SelectionKey的集合，每个元素代表一个事件，循环处理所有事件。
      • 非阻塞并不是完全不阻塞，只是将阻塞放到了selector端。非阻塞体现在拉取到事件后，比如读取服务端的响应数据一定可以读取到。
    • Buffer(缓冲区)
      • NIO中对数据进行读写都会通过缓冲区。
      • 不是单单byte数组，是经过封装的。
      • 有capacity、position、limit这三个重要的变量。

AIO(Asynchronous I/O)

AIO也就是NIO2。NIO的改进版，是异步IO模型。

异步IO是基于事件和回调机制实现的，也即是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。
AIO模型

一图总结三种模型

一图总结

参考

  1. JavaGuide
  2. Runoob网
  3. NIO模型讲解