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Java知识巩固(十二)

article 2025/1/24 22:42:21

I/O

JavaIO流了解吗？

IO 即 Input/Output，输入和输出。数据输入到计算机内存的过程即输入，反之输出到外部存储（比如数据库，文件，远程主机）的过程即输出。数据传输过程类似于水流，因此称为 IO 流。IO 流在 Java 中分为输入流和输出流，而根据数据的处理方式又分为字节流和字符流。

Java IO 流的 40 多个类都是从如下 4 个抽象类基类中派生出来的。

InputStream/Reader: 所有的输入流的基类，前者是字节输入流，后者是字符输入流。
OutputStream/Writer: 所有输出流的基类，前者是字节输出流，后者是字符输出流。

I/O流为什么要分为字节流和字符流呢？

个人认为主要有两点原因：

字符流是由 Java 虚拟机将字节转换得到的，这个过程还算是比较耗时；
如果我们不知道编码类型的话，使用字节流的过程中很容易出现乱码问题。

JavaIO中的设计模式有哪些？

装饰器模式

装饰器（Decorator）模式 可以在不改变原有对象的情况下拓展其功能。

装饰器模式通过组合替代继承来扩展原始类的功能，在一些继承关系比较复杂的场景（IO 这一场景各种类的继承关系就比较复杂）更加实用。

对于字节流来说， FilterInputStream （对应输入流）和FilterOutputStream（对应输出流）是装饰器模式的核心，分别用于增强 InputStream 和OutputStream子类对象的功能。

我们常见的BufferedInputStream(字节缓冲输入流)、DataInputStream 等等都是FilterInputStream 的子类，BufferedOutputStream（字节缓冲输出流）、DataOutputStream等等都是FilterOutputStream的子类。

举个例子，我们可以通过 BufferedInputStream（字节缓冲输入流）来增强 FileInputStream 的功能。

BufferedInputStream 构造函数如下：

public BufferedInputStream(InputStream in) {
    this(in, DEFAULT_BUFFER_SIZE);
}

public BufferedInputStream(InputStream in, int size) {
    super(in);
    if (size <= 0) {
        throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");
    }
    buf = new byte[size];
}

可以看出，BufferedInputStream 的构造函数其中的一个参数就是 InputStream 。

BufferedInputStream 代码示例：

try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("input.txt"))) {
    int content;
    long skip = bis.skip(2);
    while ((content = bis.read()) != -1) {
        System.out.print((char) content);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

这个时候，你可以会想了：为啥我们直接不弄一个BufferedFileInputStream（字符缓冲文件输入流）呢？

BufferedFileInputStream bfis = new BufferedFileInputStream("input.txt");

如果 InputStream的子类比较少的话，这样做是没问题的。不过， InputStream的子类实在太多，继承关系也太复杂了。如果我们为每一个子类都定制一个对应的缓冲输入流，那岂不是太麻烦了。

如果你对 IO 流比较熟悉的话，你会发现ZipInputStream 和ZipOutputStream 还可以分别增强 BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream 的能力。

BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(fileName));
ZipInputStream zis = new ZipInputStream(bis);

BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(fileName));
ZipOutputStream zipOut = new ZipOutputStream(bos);

ZipInputStream 和ZipOutputStream 分别继承自InflaterInputStream 和DeflaterOutputStream。

public
class InflaterInputStream extends FilterInputStream {
}

public
class DeflaterOutputStream extends FilterOutputStream {
}

这也是装饰器模式很重要的一个特征，那就是可以对原始类嵌套使用多个装饰器。

为了实现这一效果，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。上面介绍到的这些 IO 相关的装饰类和原始类共同的父类是 InputStream 和OutputStream。

对于字符流来说，BufferedReader 可以用来增加 Reader （字符输入流）子类的功能，BufferedWriter 可以用来增加 Writer （字符输出流）子类的功能。

BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(new FileOutputStream(fileName), "UTF-8"));

IO 流中的装饰器模式应用的例子实在是太多了，不需要特意记忆，完全没必要哈！搞清了装饰器模式的核心之后，你在使用的时候自然就会知道哪些地方运用到了装饰器模式。

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，你可以将其联想到我们日常经常使用的电源适配器。

适配器模式中存在被适配的对象或者类称为 适配者(Adaptee) ，作用于适配者的对象或者类称为适配器(Adapter) 。适配器分为对象适配器和类适配器。类适配器使用继承关系来实现，对象适配器使用组合关系来实现。

IO 流中的字符流和字节流的接口不同，它们之间可以协调工作就是基于适配器模式来做的，更准确点来说是对象适配器。通过适配器，我们可以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。

InputStream 和 OutputStream 的子类是被适配者， InputStreamReader 和 OutputStreamWriter是适配器。

// InputStreamReader 是适配器，FileInputStream 是被适配的类
InputStreamReader isr = new InputStreamReader(new FileInputStream(fileName), "UTF-8");
// BufferedReader 增强 InputStreamReader 的功能（装饰器模式）
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(isr);

java.io.InputStreamReader 部分源码：

public class InputStreamReader extends Reader {
 //用于解码的对象
 private final StreamDecoder sd;
    public InputStreamReader(InputStream in) {
        super(in);
        try {
            // 获取 StreamDecoder 对象
            sd = StreamDecoder.forInputStreamReader(in, this, (String)null);
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }
    // 使用 StreamDecoder 对象做具体的读取工作
 public int read() throws IOException {
        return sd.read();
    }
}

java.io.OutputStreamWriter 部分源码：

public class OutputStreamWriter extends Writer {
    // 用于编码的对象
    private final StreamEncoder se;
    public OutputStreamWriter(OutputStream out) {
        super(out);
        try {
           // 获取 StreamEncoder 对象
            se = StreamEncoder.forOutputStreamWriter(out, this, (String)null);
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }
    // 使用 StreamEncoder 对象做具体的写入工作
    public void write(int c) throws IOException {
        se.write(c);
    }
}

适配器模式和装饰器模式有什么区别呢？

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。并且，装饰器模式支持对原始类嵌套使用多个装饰器。

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。就比如说 StreamDecoder （流解码器）和StreamEncoder（流编码器）就是分别基于 InputStream 和 OutputStream 来获取 FileChannel对象并调用对应的 read 方法和 write 方法进行字节数据的读取和写入。

StreamDecoder(InputStream in, Object lock, CharsetDecoder dec) {
    // 省略大部分代码
    // 根据 InputStream 对象获取 FileChannel 对象
    ch = getChannel((FileInputStream)in);
}

适配器和适配者两者不需要继承相同的抽象类或者实现相同的接口。

另外，FutureTask 类使用了适配器模式，Executors 的内部类 RunnableAdapter 实现属于适配器，用于将 Runnable 适配成 Callable。

FutureTask参数包含 Runnable 的一个构造方法：

public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
    // 调用 Executors 类的 callable 方法
    this.callable = Executors.callable(runnable, result);
    this.state = NEW;
}

Executors中对应的方法和适配器：

// 实际调用的是 Executors 的内部类 RunnableAdapter 的构造方法
public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
    if (task == null)
        throw new NullPointerException();
    return new RunnableAdapter<T>(task, result);
}
// 适配器
static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {
    final Runnable task;
    final T result;
    RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
        this.task = task;
        this.result = result;
    }
    public T call() {
        task.run();
        return result;
    }
}

工厂模式

工厂模式用于创建对象，NIO 中大量用到了工厂模式，比如 Files 类的 newInputStream 方法用于创建 InputStream 对象（静态工厂）、 Paths 类的 get 方法创建 Path 对象（静态工厂）、ZipFileSystem 类（sun.nio包下的类，属于 java.nio 相关的一些内部实现）的 getPath 的方法创建 Path 对象（简单工厂）。

InputStream is = Files.newInputStream(Paths.get(generatorLogoPath))

观察者模式

NIO 中的文件目录监听服务使用到了观察者模式。

NIO 中的文件目录监听服务基于 WatchService 接口和 Watchable 接口。WatchService 属于观察者，Watchable 属于被观察者。

Watchable 接口定义了一个用于将对象注册到 WatchService（监控服务）并绑定监听事件的方法 register 。

public interface Path
    extends Comparable<Path>, Iterable<Path>, Watchable{
}

public interface Watchable {
    WatchKey register(WatchService watcher,
                      WatchEvent.Kind<?>[] events,
                      WatchEvent.Modifier... modifiers)
        throws IOException;
}

WatchService 用于监听文件目录的变化，同一个 WatchService 对象能够监听多个文件目录。

// 创建 WatchService 对象
WatchService watchService = FileSystems.getDefault().newWatchService();

// 初始化一个被监控文件夹的 Path 类:
Path path = Paths.get("workingDirectory");
// 将这个 path 对象注册到 WatchService（监控服务） 中去
WatchKey watchKey = path.register(
watchService, StandardWatchEventKinds...);

Path 类 register 方法的第二个参数 events （需要监听的事件）为可变长参数，也就是说我们可以同时监听多种事件。

WatchKey register(WatchService watcher,
                  WatchEvent.Kind<?>... events)
    throws IOException;

常用的监听事件有 3 种：

StandardWatchEventKinds.ENTRY_CREATE：文件创建。
StandardWatchEventKinds.ENTRY_DELETE : 文件删除。
StandardWatchEventKinds.ENTRY_MODIFY : 文件修改。

register 方法返回 WatchKey 对象，通过WatchKey 对象可以获取事件的具体信息比如文件目录下是创建、删除还是修改了文件、创建、删除或者修改的文件的具体名称是什么。

WatchKey key;
while ((key = watchService.take()) != null) {
    for (WatchEvent<?> event : key.pollEvents()) {
      // 可以调用 WatchEvent 对象的方法做一些事情比如输出事件的具体上下文信息
    }
    key.reset();
}

WatchService 内部是通过一个 daemon thread（守护线程）采用定期轮询的方式来检测文件的变化，简化后的源码如下所示。

class PollingWatchService
    extends AbstractWatchService
{
    // 定义一个 daemon thread（守护线程）轮询检测文件变化
    private final ScheduledExecutorService scheduledExecutor;

    PollingWatchService() {
        scheduledExecutor = Executors
            .newSingleThreadScheduledExecutor(new ThreadFactory() {
                 @Override
                 public Thread newThread(Runnable r) {
                     Thread t = new Thread(r);
                     t.setDaemon(true);
                     return t;
                 }});
    }

  void enable(Set<? extends WatchEvent.Kind<?>> events, long period) {
    synchronized (this) {
      // 更新监听事件
      this.events = events;

        // 开启定期轮询
      Runnable thunk = new Runnable() { public void run() { poll(); }};
      this.poller = scheduledExecutor
        .scheduleAtFixedRate(thunk, period, period, TimeUnit.SECONDS);
    }
  }
}

BIO、NIO和AIO的区别？

何为I/O?

I/O（Input/Output）即输入／输出 。

我们先从计算机结构的角度来解读一下 I/O。

根据冯.诺依曼结构，计算机结构分为 5 大部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

输入设备（比如键盘）和输出设备（比如显示器）都属于外部设备。网卡、硬盘这种既可以属于输入设备，也可以属于输出设备。

输入设备向计算机输入数据，输出设备接收计算机输出的数据。

从计算机结构的视角来看的话， I/O 描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程。

我们再先从应用程序的角度来解读一下 I/O。

根据大学里学到的操作系统相关的知识：为了保证操作系统的稳定性和安全性，一个进程的地址空间划分为 用户空间（User space） 和 内核空间（Kernel space ） 。

像我们平常运行的应用程序都是运行在用户空间，只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关的操作，比如文件管理、进程通信、内存管理等等。也就是说，我们想要进行 IO 操作，一定是要依赖内核空间的能力。

并且，用户空间的程序不能直接访问内核空间。

当想要执行 IO 操作时，由于没有执行这些操作的权限，只能发起系统调用请求操作系统帮忙完成。

因此，用户进程想要执行 IO 操作的话，必须通过 系统调用 来间接访问内核空间

我们在平常开发过程中接触最多的就是 磁盘 IO（读写文件） 和 网络 IO（网络请求和响应）。

从应用程序的视角来看的话，我们的应用程序对操作系统的内核发起 IO 调用（系统调用），操作系统负责的内核执行具体的 IO 操作。也就是说，我们的应用程序实际上只是发起了 IO 操作的调用而已，具体 IO 的执行是由操作系统的内核来完成的。

当应用程序发起 I/O 调用后，会经历两个步骤：

内核等待 I/O 设备准备好数据
内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。

有哪些常见的IO模型？

UNIX 系统下， IO 模型一共有 5 种：同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路复用、信号驱动 I/O 和异步 I/O。

这也是我们经常提到的 5 种 IO 模型。

Java中3重常见IO模型

BIO 属于同步阻塞 IO 模型 。

同步阻塞 IO 模型中，应用程序发起 read 调用后，会一直阻塞，直到内核把数据拷贝到用户空间。

在客户端连接数量不高的情况下，是没问题的。但是，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的 BIO 模型是无能为力的。因此，我们需要一种更高效的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。

NIO (Non-blocking/New I/O)

Java 中的 NIO 于 Java 1.4 中引入，对应 java.nio 包，提供了 Channel , Selector，Buffer 等抽象。NIO 中的 N 可以理解为 Non-blocking，不单纯是 New。它是支持面向缓冲的，基于通道的 I/O 操作方法。对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用 NIO 。

Java 中的 NIO 可以看作是 I/O 多路复用模型。也有很多人认为，Java 中的 NIO 属于同步非阻塞 IO 模型。

跟着我的思路往下看看，相信你会得到答案！

我们先来看看 同步非阻塞 IO 模型。

同步非阻塞 IO 模型中，应用程序会一直发起 read 调用，等待数据从内核空间拷贝到用户空间的这段时间里，线程依然是阻塞的，直到在内核把数据拷贝到用户空间。

相比于同步阻塞 IO 模型，同步非阻塞 IO 模型确实有了很大改进。通过轮询操作，避免了一直阻塞。

但是，这种 IO 模型同样存在问题：应用程序不断进行 I/O 系统调用轮询数据是否已经准备好的过程是十分消耗 CPU 资源的。

这个时候，I/O 多路复用模型 就上场了。

IO 多路复用模型中，线程首先发起 select 调用，询问内核数据是否准备就绪，等内核把数据准备好了，用户线程再发起 read 调用。read 调用的过程（数据从内核空间 -> 用户空间）还是阻塞的。

目前支持 IO 多路复用的系统调用，有 select，epoll 等等。select 系统调用，目前几乎在所有的操作系统上都有支持。

select 调用：内核提供的系统调用，它支持一次查询多个系统调用的可用状态。几乎所有的操作系统都支持。
epoll 调用：linux 2.6 内核，属于 select 调用的增强版本，优化了 IO 的执行效率。

IO 多路复用模型，通过减少无效的系统调用，减少了对 CPU 资源的消耗。

Java 中的 NIO ，有一个非常重要的选择器 ( Selector ) 的概念，也可以被称为 多路复用器。通过它，只需要一个线程便可以管理多个客户端连接。当客户端数据到了之后，才会为其服务。

AIO(AsynchronousI/O)

AIO 也就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步 IO 模型。

异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就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。

目前来说 AIO 的应用还不是很广泛。Netty 之前也尝试使用过 AIO，不过又放弃了。这是因为，Netty 使用了 AIO 之后，在 Linux 系统上的性能并没有多少提升。

最后，来一张图，简单总结一下 Java 中的 BIO、NIO、AIO。

I/O

何为 I/O?