Java I/O流面试之道

先赞后看，Java进阶一大半

南哥在国外 stackoverflow 看到13年前的这么一个问题：如何使用 Java 逐行读取大型文本文件。大家有什么思路吗？评论区一起讨论讨论。

I need to read a large text file of around 5-6 GB line by line using Java.

How can I do this quickly?

最高赞的回答是名为Peter Lawrey的老哥回答的。

我是南哥，相信对你通关面试、拿下Offer有所帮助。

敲黑板：本文总结了Java I/O流、Java NIO常见的面试题！

⭐⭐⭐收录在《Java学习/进阶/面试指南》：https://github/JavaSouth

1. I/O流

1.1 I/O的理解

面试官：你说下对Java IO的理解？

Java I/O有两个参与对象，一个是I/O源端，一个是想要和I/O源端通信的各种接收端，比如程序控制IDEA控制台输出、读取文件A写入文件B等，我们程序要保证的就是IO流的顺利读取和顺利写入。JDK把对Java IO的支持都放在了package java.io包下，南哥数了数，一个有86个类和接口。

我们看下package java.io包最常用的Reader和Writer接口，他们的作者都是Mark Reinhold。这位老哥是谁？他是Oracle Java平台组的首席架构师，也是字符流读取器和写入器的首席工程师。这么有来头，看来Java I/O的程序设计不简单，我们可以从中学到不少好用的东西。

/** 
 * @author      Mark Reinhold
 * @since       JDK1.1
 */
public abstract class Reader implements Readable, Closeable { }
public abstract class Writer implements Appendable, Closeable, Flushable { }

1.2 字节输入流抽象基类

面试官：那要怎么读取字节流？

我们先讲输入流，后面再讲下输出流。输入流又分为字节流和字符流，顾名思义，字节流按字节来读取，操作的数据单元是8位的字节；而字符流按字符来读取，操作的数据单元是16位的字符。

读取字节的抽象基类是InputStream，这个基类提供了3个方法给我们来读取字节流。

1. 从输入流读取下一个数据字节，值字节以0到255范围内的int返回。

   public abstract int read() throws IOException
   

2. 从输入流读取一定数量的字节并将它们存储到缓冲区数组b中。

   public int read(byte b[]) throws IOException
   

3. 从输入流读取最多len个字节的数据到字节数组中。

   public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException
   

大家注意以上方法的返回参数都是int类型，当正常读取时，int返回的是读取的字节个数；而当int返回-1，就表明输入流到达了末尾。

1.3 字节输入流读取

面试官：你说的这些不是实例，我要的是能真正读取的？

上文的是抽象的接口，本身并不具备实际的功能。真正能够读取文件的是InputStream抽象基类的子类实现，例如文件流FileInputStream，有了他，我们读取音频、视频、gif等等都不是问题。

// 文件流读取文件
FileInputStream stream = new FileInputStream(SOURCE_PATH);

我们还可以在外面加一层缓存字节流来提高读取效率，在外层套上BufferedInputStream对象，为什么可以提高读取效率我下文会讲到。

BufferedInputStream stream = new BufferedInputStream(new FileInputStream(SOURCE_PATH));

以上通过字节流我们是以n个字节来读取的，如果要用readLine()读取某一行这种场景下就不适用了。我们可以把缓存字节流换成缓存字符流来承接，使用InputStreamReader转换流把字节输入流转换成字符输入流。

如下代码所示。

BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(new FileInputStream(SOURCE_PATH)));

1.4 提高读取效率

面试官：为什么加一层缓存流就能提高读取效率？

为什么加一层缓存流就能提高读取效率？因为直接使用 FileInputStream 读取文件的话，每次调用 read() 都是从磁盘读取一个字节，而每次读取都是一次系统调用。系统调用是操作系统层面的调用，涉及到用户空间和内核空间之间的上下文切换，这些切换的成本是很昂贵的。

而如果使用缓存流，一次性从文件里读取多个字节到缓存中，减少系统调用同时也减少了磁盘读取，读取的效率明显提高了。

除了Java I/O采用缓存流来提高读取效率，大多应用程序也采用缓存来提升程序性能，例如我们后端在业务开发会使用Redis缓存来减少数据库压力。关于为什么使用缓存来提高应用程序效率，大家也可以看看国外Quora的回答，解释得很详细。

1.5 字符输入流

面试官：那字符流读取呢？

字符输入流的抽象基类是Reader，同样是提供了3个方法来支持字符流读取。

1. 读取单个字符。

   public int read() throws IOException
   

2. 将字符读入数组。

   public int read(char cbuf[]) throws IOException
   

3. 将字符读入数组的一部分。

   abstract public int read(char cbuf[], int off, int len) throws IOException
   
   

字符流读取的实例是FileReader，同样可以使用缓存字符流提高读取效率。

BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(new File(SOURCE_PATH)));

我们来具体实操下，读取C:\\Users\\Desktop\\JavaProGuide\\read下的所有文件，把他们合并在一起，写入到C:\\Users\\Desktop\\JavaProGuide\\write下的PRODUCT.txt文件中。

public class Client {

    private static final String PATH = "C:\\Users\\Desktop\\JavaProGuide\\read";

    private static final String FILE_OUT = "C:\\Users\\Desktop\\JavaProGuide\\write\\PRODUCT.txt";

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File file = new File(PATH);
        File[] files = file.listFiles();

        BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new FileWriter(FILE_OUT));

        for (File curFile : files) {
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(curFile));
            String line;
            while ((line = reader.readLine()) != null) {
                writer.write(line);
                writer.newLine();
            }
            reader.close();
        }

        writer.close();
    }

}

1.6 输出流

面试官：输出流你也讲一讲？

字节输出流的抽象基类是OutputStream，字符输出流的抽象基类是Writer。他们分别提供了以下方法。

字节输出流OutputStream：

1. 将指定字节写入此输出流。

   public abstract void write(int b) throws IOException
   

2. 将指定字节数组中的b.length字节写入此输出流。

   public void write(byte b[]) throws IOException 
   

3. 将指定字节数组中从偏移量off开始的len个字节写入此输出流。

   public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException
   

字符输出流Writer：

1. 写入单个字符。

   public void write(int c) throws IOException
   

2. 写入字符数组。

   public void write(char cbuf[]) throws IOException
   

3. 写入字符数组的一部分。

   abstract public void write(char cbuf[], int off, int len) throws IOException
   

另外字符输出流是使用字符来操作数据，所以可以用字符串来代替字符数组，JDK还支持以下入参是字符串的方法。

1. 写入一个字符串。

   public void write(String str) throws IOException
   

2. 写入字符串的一部分。

   public void write(String str, int off, int len) throws IOException
   

1.7 字节流和字符流区别

面试官：那字节流和字符流有什么区别？

字节流和字符流的区别主要是三个方面。

• 基本单位不同。字节流以字节（8位二进制数）为基本单位来处理数据，字符流以字符为单位处理数据。
• 使用场景不同。字节流操作可以所有类型的数据，包括文本数据，和非文本数据如图片、音频等；而字符流只适用于处理文本数据。
• 关于性能方面。因为字节流不处理字符编码，所以处理大量文本数据时可能不如字符流高效；而字符流使用到内存缓冲区处理文本数据可以优化读写操作。

2. Java NIO

2.1 NIO介绍

NIO的出现在于提高IO的速度，它相比传统的输入/输出流速度更快。NIO通过管道Channel和缓冲器Buffer来处理数据，可以把管道当成一个矿藏，缓冲器就是矿藏里的卡车。

程序通过管道里的缓冲器进行数据交互，而不直接处理数据。程序要么从缓冲器获取数据，要么输入数据到缓冲器。

2.2 通道和缓冲器

NIO提供了通道和缓冲器这两个核心对象。

（1）管道Channel：

与传统的IO流只能只读或只写的单向流不同，NIO通道是双向的，也就是说读写操作可以同时进行，使得数据的处理效率也更高。

（2）缓冲器Buffer：

传统的输入/输出流一次只处理一个字节，而每一次字节读取都是一次系统调用，涉及到用户空间和内核空间之间的上下文切换，通常来说效率不高。

而NIO采用内存映射文件方式来处理输入/输出，Channel通过map()方法把一块数据映射到内存中。程序通过Buffer进行数据交互，减少了与原始数据源的直接访问。NIO面向块的处理方式使得效率更高。

2.3 非阻塞IO模型

传统的输入/输出流是同步阻塞IO模型，如果数据源没有数据了，此时程序将进行阻塞。

而NIO是I/O多路复用模型，线程可以询问通道有没可用的数据，而不需要在没有数据时阻塞掉线程。

2.4 字符流处理字符吗

所有数据包括文本数据最终都是以字节形式存储的，因为计算机底层只能理解二进制数据。

字符最终也是要转换成字节形式，之所以可以在文本文件看到字符，是因为系统将底层的二进制序列转换成了字符。

2.5 Buffer

Buffer里有3个关键变量。

1. capcity：表示缓冲器Buffer的最大数据容量。
2. position：用来指出下一个可以读出/写入Buffer的索引位置，也就是记录指针的作用。
3. limit：用来表示在Buffer里第一个不能被读出/写入的索引位置。

另外Buffer还提供了get、put方法来供我们操作数据，而使用get/put后，position的指针位置也会随之移动。

public abstract byte get();

public abstract ByteBuffer put(byte b);

2.6 Channel

Channel有常见的3个方法，map()、read()和write()。

// 将通道文件的区域直接映射到字节缓冲区中
public abstract MappedByteBuffer map(MapMode mode, long position, long size)

// 从此Channel通道读取字节序列到给定缓冲区dst
public abstract int read(ByteBuffer dst)
    
// 将给定缓冲区中src的字节序列写入此Channel通道
public abstract int write(ByteBuffer src)

以下是Channel的简单使用代码。

public class TestFileChannel {
    public static void main(String[] args) {
        File f = new File("D:\\JavaGetOffer\\TestFileChannel.java");
        try {
            FileChannel inChannel = new FileInputStream(f).getChannel();
            FileChannel outChannel = new FileOutputStream("a.txt").getChannel();
            MappedByteBuffer buffer = inChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, f.length());

            outChannel.write(buffer);
            buffer.clear();
            CharBuffer charBuffer = StandardCharsets.UTF_8.newDecoder().decode(buffer);
            System.out.println(charBuffer);
        } catch (IOException ex) {
            ex.printStackTrace();
        }
    }
}

2.7 NIO零拷贝

在NIO零拷贝出现之前，一个I/O操作会将同一份数据进行多次拷贝。可以看下图，一次I/O操作对数据进行了四次复制，同时来伴随两次内核态和用户态的上下文切换，众所周知上下文切换是很耗费性能的操作。

而零拷贝技术改善了上述的问题。可以对比下图，零拷贝技术减少了对一份数据的拷贝次数，不再需要将数据在内核态和用户态之间进行拷贝，也意味不再进行上下文切换，让数据传输变得更加高效。

⭐⭐⭐本文收录在《Java学习/进阶/面试指南》：https://github/JavaSouth

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