关于后端:Java-SE基础巩固六Java-IO

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Java SE 根底坚固（六）：Java IO

到当初为止，Java IO 可分为三类：BIO、NIO、AIO。最早呈现的是 BIO，而后是 NIO，最近的是 AIO，BIO 即 Blocking IO，NIO 有的文章说是 New NIO，也有的文章说是 No Blocking IO，我查了一些材料，官网说的应该是 No Blocking IO，提供了 Selector，Channle，SelectionKey 形象，AIO 即 Asynchronous IO（异步 IO），提供了 Fauture 等异步操作。

1 BIO

[](https://imgchr.com/i/i81QZn)

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](https://imgchr.com/i/i81QZn)

上图是 BIO 的架构体系图。能够看到 BIO 次要分为两类 IO，即字符流 IO 和字节流 IO，字符流即把输入输出数据当做字符来对待，Writer 和 Reader 是其继承体系的最高层，字节流即把输入输出当做字节来对待，InputStream 和 OutputStream 是其继承体系的最高层。上面以文件操作为例，其余的实现类也十分相似。

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顺便说一下，整个 BIO 体系大量应用了装璜者模式，例如 BufferedInputStream 包装了 InputStream，使其领有了缓冲的能力。

1.1 字节流 

public class Main {public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 写入文件
        FileOutputStream out = new FileOutputStream("E:Java_projecteffective-javasrctopyeononiobiotest.txt");
        out.write("hello,world".getBytes("UTF-8"));
        out.flush();
        out.close();

        // 读取文件
        FileInputStream in = new FileInputStream("E:Java_projecteffective-javasrctopyeononiobiotest.txt");
        byte[] buffer = new byte[in.available()];
        in.read(buffer);
        System.out.println(new String(buffer, "UTF-8"));
        in.close();}
}

复制代码

向 FileOutputStream 构造函数中传入文件名来创立 FileOutputStream 对象，即关上了一个字节流，之后应用 write 办法向字节流中写入数据，实现之后调用 flush 刷新缓冲区，最初记得要敞开字节流。读取文件也是相似的，先关上一个字节流，而后从字节流中读取数据并存入内存中（buffer 数组），而后再敞开字节流。

因为 InputStream 和 OutputStream 都继承了 AutoCloseable 接口，所以如果应用的是 try-resource 的语法来进行字节流的 IO 操作，可不须要手动显式调用 close 办法了，这也是十分举荐的做法，在示例中我没有这样做只是为了不便。

1.2 字符流

字节流次要应用的是 InputStream 和 OutputStream，而字符流次要应用的就是与之对应的 Reader 和 Writer。上面来看一个示例，该示例的性能和上述示例的一样，只不过实现伎俩不同：

public class Main {public static void main(String[] args) throws IOException {Writer writer = new FileWriter("E:Java_projecteffective-javasrctopyeononiobiotest.txt");
        writer.write("hello,worldn");
        writer.write("hello,yeononn");
        writer.flush();
        writer.close();

        BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader("E:Java_projecteffective-javasrctopyeononiobiotest.txt"));

        String line = "";
        int lineCount = 0;
        while ((line = reader.readLine()) != null) {System.out.println(line);
            lineCount++;
        }
        reader.close();
        System.out.println(lineCount);
    }
}
复制代码

Writer 非常简单，无奈就是关上字符流，而后向字符流中写入字符，而后敞开。要害是 Reader，示例代码中应用了 BufferedReader 来包装 FileReader，使得本来没有缓冲性能的 FileReader 有了缓冲性能，这就是下面提到过的装璜者模式，BufferedReader 还提供了方便使用的 API，例如 readLine()，这个办法每次调用会读取文件中的一行。

以上就是 BIO 的简略应用，源码的话因为波及太多的底层，所以如果对底层不是很理解的话会很难了解源码。

2 NIO

BIO 是同步阻塞的 IO，而 NIO 是同步非阻塞的 IO。NIO 中有几个比拟重要的组件：Selector，SelectionKey，Channel，ByteBuffer，其中 Selector 就是所谓的选择器，SelectionKey 能够简略了解为选择键，这个键将 Selector 和 Channle 进行一个绑定（或者所 Channle 注册到 Selector 上），当有数据达到 Channel 的时候，Selector 会从阻塞状态中恢复过来，并对该 Channle 进行操作，并且，咱们不能间接对 Channle 进行读写操作，只能对 ByteBuffer 操作。如下图所示：

[](https://imgchr.com/i/i8YB80)

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](https://imgchr.com/i/i8YB80)

上面是一个 Socket 网络编程的例子：

// 服务端
public class SocketServer {

    private Selector selector;
    private final static int port = 9000;
    private final static int BUF = 10240;

    private void init() throws IOException {
        // 获取一个 Selector
        selector = Selector.open();
        // 获取一个服务端 socket Channel
        ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open();
        // 设置为非阻塞模式
        channel.configureBlocking(false);
        // 绑定端口
        channel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        // 把 channle 注册到 Selector 上，并示意对 ACCEPT 事件感兴趣
        SelectionKey selectionKey = channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
            // 该办法会阻塞，直到和其绑定的任何一个 channel 有数据过去
            selector.select();
            // 获取该 Selector 绑定的 SelectionKey
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();
                // 记得删除，否则就有限循环了
                iterator.remove();
                // 如果该事件是一个 ACCEPT，那么就执行 doAccept 办法，其余的也一样
                if (key.isAcceptable()) {doAccept(key);
                } else if (key.isReadable()) {doRead(key);
                } else if (key.isWritable()) {doWrite(key);
                } else if (key.isConnectable()) {System.out.println("连贯胜利！");
                }
            }
        }
    }

    // 写办法，留神不能间接对 channle 进行读写操作，只能对 ByteBuffer 进行操作
    private void doWrite(SelectionKey key) throws IOException {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(BUF);
        buffer.flip();
        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
        while (buffer.hasRemaining()) {socketChannel.write(buffer);
        }
        buffer.compact();}

    // 读取音讯
    private void doRead(SelectionKey key) throws IOException {SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(BUF);
        long reads = socketChannel.read(buffer);
        while (reads > 0) {buffer.flip();
            byte[] data = buffer.array();
            System.out.println("读取到音讯：" + new String(data, "UTF-8"));
            buffer.clear();
            reads = socketChannel.read(buffer);
        }
        if (reads == -1) {socketChannel.close();
        }
    }

    // 当有连贯过去的时候，获取连贯过去的 channle，而后注册到 Selector 上，并设置成对读音讯感兴趣，当客户端有音讯过去的时候，Selector 就能够让其执行 doRead 办法，而后读取音讯并打印。private void doAccept(SelectionKey key) throws IOException {ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
        System.out.println("服务端监听中...");
        SocketChannel socketChannel = serverChannel.accept();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ);
    }
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {SocketServer server = new SocketServer();
        server.init();}
}

// 客户端，写得比较简单
public class SocketClient {

    private final static int port = 9000;
    private final static int BUF = 10240;


    private void init() throws IOException {
        // 获取 channel
        SocketChannel channel = SocketChannel.open();
        // 连贯到近程服务器
        channel.connect(new InetSocketAddress(port));
        // 设置非阻塞模式
        channel.configureBlocking(false);
        // 往 ByteBuffer 里写音讯
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(BUF);
        buffer.put("Hello,Server".getBytes("UTF-8"));
        buffer.flip();
        // 将 ByteBuffer 内容写入 Channle，即发送音讯
        channel.write(buffer);
        channel.close();}


    public static void main(String[] args) throws IOException {SocketClient client = new SocketClient();
            client.init();}
}

复制代码

尝试启动一个服务端，多个客户端，后果大抵如下所示：

 服务端监听中...
读取到音讯：Hello,Server                       
服务端监听中...
读取到音讯：Hello,Server  
复制代码

正文写得挺分明了，我这里只是简略应用了 NIO，但实际上 NIO 远远不止这些货色，光一个 ByteBuffer 就能说一天，如果有机会，我会在前面 Netty 相干的文章中具体说一下这几个组件。在此就不再多说了。

吐槽一些，纯 NIO 写的服务端和客户端切实是太麻烦了，一不小心就会写错，还是应用 Netty 相似的框架好一些啊。

3 AIO

在 JDK7 中新增了一些 IO 相干的 API，这些 API 称作 AIO。因为其提供了一些异步操作 IO 的性能，但实质是其实还是 NIO，所以能够简略的了解为是 NIO 的裁减。AIO 中最重要的就是 Future 了，Future 示意未来的意思，即这个操作可能会继续很长时间，但我不会等，而是到未来操作实现的时候，再过去告诉我，这就是异步的意思。上面是两个应用 AIO 的例子：

 public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException, IOException {Path path = Paths.get("E:Java_projecteffective-javasrctopyeononioaiotest.txt");
        AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(path);
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        Future<Integer> future = channel.read(buffer,0);
        Integer readNum = future.get(); // 阻塞，如果不调用该办法，main 办法会继续执行
        buffer.flip();
        System.out.println(new String(buffer.array(), "UTF-8"));
        System.out.println(readNum);
    }
复制代码

第一个例子应用 AsynchronousFileChannel 来异步的读取文件内容，在代码中，我应用了 future.get() 办法，该办法会阻塞以后线程，在例子中即主线程，当工作线程，即读取文件的线程执行结束后才会从阻塞状态中恢复过来，并将后果返回。之后就能够从 ByteBuffer 中读取数据了。这是应用未来时的例子，上面来看看应用回调的例子：

public class Main {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException, IOException {Path path = Paths.get("E:Java_projecteffective-javasrctopyeononioaiotest.txt");
        AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(path);
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        channel.read(buffer, 0, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
            @Override
            public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {System.out.println("实现读取");
                try {System.out.println(new String(attachment.array(), "UTF-8"));
                } catch (UnsupportedEncodingException e) {e.printStackTrace();
                }
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {System.out.println("读取失败");
            }
        });
        System.out.println("继续执行主线程");
        // 调用实现之后不须要期待工作实现，会间接继续执行主线程
        while (true) {Thread.sleep(1000);
        }
    }
}

复制代码

输入的后果大抵如下所示，但不肯定，这取决于线程调度：

 继续执行主线程
实现读取

hello,world
hello,yeonon
复制代码

当工作实现，即读取文件结束的时候，会调用 completed 办法，失败会调用 failed 办法，这就是回调。具体接触过回调的敌人应该不难理解。

4 BIO、NIO、AIO 的区别

  1. BIO 是同步阻塞的 IO，NIO 是同步非阻塞 IO，AIO 异步非阻塞 IO，这是最根本的区别。阻塞模式会导致其余线程被 IO 线程阻塞，必须期待 IO 线程执行结束能力继续执行逻辑，非阻塞和异步并不等同，非阻塞模式下，个别会采纳事件轮询的形式来执行 IO，即 IO 多路复用，尽管依然是同步的，但执行效率比传统的 BIO 要高很多，AIO 则是异步 IO，如果把 IO 工作当做一个工作的话，在以后线程中提交一个工作之后，不会有阻塞，会继续执行以后线程的后续逻辑，在工作实现之后，以后线程会收到告诉，而后再决定如何解决，这种形式的 IO，CPU 效率是最高的，CPU 简直没有产生过进展，而时始终至于忙状态，所以效率十分高，但编程难度会比拟大。
  2. BIO 面向的是流，无论是字符流还是字节流，艰深的讲，BIO 在读写数据的时候会依照一个接一个的形式读写，而 NIO 和 AIO（因为 AIO 实际上是 NIO 的裁减，所以从这个方面来看，能够把他们放在一块）读写数据的时候是依照一块一块的读取的，读取到的数据会缓存在内存中，而后在内存中对数据进行解决，这种形式的益处是缩小了硬盘或者网络的读写次数，从而升高了因为硬盘或网络速度慢带来的效率影响。
  3. BIO 的 API 尽管比拟底层，但如果相熟之后编写起来会比拟容易，NIO 或者 AIO 的 API 抽象层次高，一般来说应该更容易应用才是，但实际上却很难“正确”的编写，而且 DEBUG 的难度也较大，这也是为什么 Netty 等 NIO 框架受欢迎的起因之一。

以上就是我了解的 BIO、NIO 和 AIO 区别。

5 小结

本文简略粗略的讲了一下 BIO、NIO、AIO 的应用，并未波及源码，也没有波及太多的原理，如果读者心愿理解更多对于三者的内容，倡议参看一些书籍，例如老外写的《Java NIO》，该书全面零碎的解说了 NIO 的各种组件和细节，十分举荐。

正文完
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2020-11-21
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