轻松理解java中的IO与NIO

轻松理解java中的IO与NIO

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ReaderWriter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。


编辑于 2017-06-02

文章被以下专栏收录