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Java的IO和NIO
一、Java的IO
Java的IO功能在java.io
包下,包括输入、输出两种IO流,每种输入、输出流又可分为字节流和字符流两大类。字节流以字节(8位)为单位处理输入输出,字符流以字符(16位)为单位来处理输入输出。
1.1 流的分类
- 输入输出流
Java的输入流主要有InputStream
和Reader
作为基类,而输出流主要由OutputStream
和Writer
作为基类。他们是一些抽象类,无法直接创建实例。
- 字节流和字符流
处理字节流:InputStream、OutputStream;
处理字符流:Reader、Writer。
- 节点流和处理流
节点流:可以直接从IO设备(如磁盘、网络)读写数据的流称为节点流,也被称为低级流,比如,处理文件的输入流:FileInputStream和FileReader;
处理流:对一个已存在的流进行连接和封装,通过封装后的流来实现数据读写功能,也被称为高级流,比如PrintStream。
当使用节点流时,程序可以直接连接到实际的数据源。当使用处理流时,程序并不会直接连接到实际的数据源。
使用处理流的好处就是,只要使用相同的处理流,程序就可以采用完全相同的输入输出代码来访问不同的数据源,随着处理流所包装节点流的变化,程序实际访问的数据源也会相应的发生改变。实际上这是一种装饰者模式,处理流也被称为包装流。通过使用处理流,Java程序无须理会输入输出节点是磁盘还是网络,还是其他设备,程序只要将这些节点流包装成处理流,就可以使用相同的输入输出代码来读写不同设备上的数据。
识别处理流很简单,主要流的构造参数不是一个物理节点,而是已经存在的流;而节点流都是直接以物理IO节点作为构造器参数的。比如FileInputStream的构造器是FileInputStream(String name)
和
FileInputStream(File file),那么它就是一个节点流,再比如PrintStream的构造器是PrintStream(OutputStream out)
,那么它就是一个处理流。
使用处理流的优点
- 对开发人员来讲,使用处理流进行输入输出操作更简单;
- 使用处理流的执行效率更高。
使用节点流的例子:
package com.wangjun.othersOfJava;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
/*
* 节点流演示
*/
public class FileInputStreamTest {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//读取文件
FileInputStream fis = new FileInputStream("README.md");
//写入文件
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("test.md"));
//定义每次读取的字节数,保存在b中
byte[] b = new byte[12];
//read方法返回实际读取的字节数
int hasRead = 0;
while((hasRead = fis.read(b)) > 0) {
System.out.println("hasRead:" + hasRead);
System.out.println(new String(b, 0, hasRead));
fos.write(b, 0, hasRead);
}
fis.close();
}
}
使用处理流的例子:
package com.wangjun.othersOfJava;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.PrintStream;
/*
* 处理流演示
* 程序使用了PrintStream包装了FileOutputStream节点流输出流,使用println输入字符和对象
* PrintStream输出功能非常强大,我们平时常用的System.out.println()就是使用的PrintStream
*/
public class PrintStreamTest {
public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException {
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("print.md");
PrintStream ps = new PrintStream(fos);
ps.println("test1");
ps.println("test2");
ps.println(new PrintStreamTest());
}
}
1.2 Java的IO体系
Java的IO体系提供了将近40个类。
下面将常用的一些类做一下分类汇总。其中粗体的为处理流。
分类 | 字节输入流 | 字节输出流 | 字符输入流 | 字符输出流 |
---|---|---|---|---|
基类 | InputStream | OutputStream | Reader | Writer |
文件 | FileInputStream | FileOutputStream | FileReader | FileWriter |
数组 | ByteArrayInputStream | ByteArrayOutputStream | CharArrayReader | CharArrayWriter |
字符串 | StringReader | StringWriter | ||
管道 | PipedInputStream | PipedOutputStream | PipedReader | PipedWriter |
缓冲流 | BufferedInputStream | BufferedOutputStream | BufferedReader | BufferedWriter |
转换流 | InputStreamReader | OutputStreamWriter | ||
对象流 | ObjectInputStream | ObjectOutputStream | ||
打印流 | PrintStream | PrintWriter | ||
推回输入流 | PushbackInputStream | PushbackReader |
通常来说,我们认为字节流的功能比字符流的功能强大,因为计算机里所有的数据都是二进制的,而字节流可以处理所有的二进制文件,但问题就是如果使用字节流处理文本文件,则需要使用合适的方式将这些字节转换成字符,这就增加了编程的复杂度。
所以通常有这么一个规则:如果进行输入输出的内容是文本内容,则应考虑使用字符流;如果进行输入输出的内容是二进制内容,则应该考虑用字节流。
注意1:我们一般把计算机的文件分为文本文件和二进制文件,其实计算机所有的文件都是二进制文件,当二进制文件内容恰好能被正常解析成字符时,则该二进制文件就变成了文本文件。
注意2:上面的表格中列举了4种访问管道的流,它们都是用于实现进程之间通信功能的。
1.3 转换流
上面的表格中列举了java提供的两个转换流。InputStreamReader和OutputStreamWriter用于将字节流转换成字符流。为什么要这么做呢?前面提到了字节流的功能比较强大,字符流使用起来方便,如果有一个字节流内容都是文本内容,那么将它转换成字符流更方便操作。
代码实例
package com.wangjun.othersOfJava;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
/*
* 字节流转字符流示例
* System.in是键盘输入,是InputStream(字节流)的实例,因为键盘输入都是字符,所以转换成字符流操作更方便
* 普通的Reader读取内容时依然不方便,可以包装成BufferedReader,利用BufferedReader的readLine()方法
* 可以一次读取一行内容
*/
public class InputStreamReaderTest {
public static void main(String[] args) throws IOException {
InputStreamReader isr = new InputStreamReader(System.in);
BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
String buffer = null;
while((buffer = br.readLine()) != null) {
if(buffer.equals("exit")) {
System.out.println("bye bye!");
System.exit(1);
}
System.out.println("输入内容为:" + buffer);
}
}
}
BufferedReader具有一个readLine方法,可以非常方便的一次读取一行内容,所以经常把读取文本的输出流包装成BufferedReader,用来方便的读取输入流中的文本内容。
1.4 推回输入流
在java的IO体系中提供了两个特殊的流,PushbackInputStream和PushbackReader。它们提供了unread方法用于将字节/字符推回到推回缓冲区里面,从而允许读取刚刚读取的内容。
它们带有一个推回缓冲区,程序调用read方法时总是先从推回缓冲区里面读取,只有完全读取了推回缓冲区的内容,并且还没有装满read所需的数组时才会从原始输入流中读取。
代码实例
package com.wangjun.othersOfJava;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
import java.io.PushbackReader;
/*
* 推回缓冲流测试
* 如果文件中包含LeetCode就把LeetCode周边的字符打印出来
*/
public class PushbackReaderTest {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//推回缓冲区的长度为64
PushbackReader pr = new PushbackReader(new FileReader("README.md"), 64);
char[] cbuf = new char[16];
int hasRead = 0;
String lastRead = "";
while((hasRead = pr.read(cbuf)) > 0) {
String str = new String(cbuf, 0, hasRead);
if((lastRead + str).contains("LeetCode")) {
//推回到缓冲区
pr.unread(cbuf, 0, hasRead);
//这一次会先读取缓冲区的内容
hasRead = pr.read(cbuf);
//打印字符
System.out.println(new String(cbuf, 0 ,hasRead));
System.out.println("lastRead:" + lastRead);
pr.close();
return;
}else {
lastRead = str;
}
}
pr.close();
}
}
1.5 重定向标准输入输出
Java的标准输入输出分别通过System.in和System.out来代表,默认情况下他们代表键盘和显示器,在System类里面提供了3个重定向的方法:setError(PrintStream err)
、setIn(IputStream in)
、setOut(PrintStream out)
。
代码实例
package com.wangjun.othersOfJava;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.PrintStream;
import java.util.Scanner;
/*
* 将System.out重定向到文件,而不是屏幕
*/
public class SystemInRedirect {
public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException {
// 重定向标准输出
PrintStream ps = new PrintStream(new FileOutputStream("out.md"));
// 将标准输出重定向到ps流
System.setOut(ps);
// 后面打印的内容就会打印到ps中,而不是Console控制台
System.out.println("test1");
System.out.println(new SystemInRedirect());
// 重定向标准输入
FileInputStream fis = new FileInputStream("test.md");
System.setIn(fis);
Scanner s = new Scanner(System.in);
s.useDelimiter("\n");
while (s.hasNext()) {
System.out.println("获取到的输入内容是:" + s.next());
}
s.close();
}
}
1.6 Java虚拟机读写其他进程的数据
Runtime对象的exec()方法可以运行平台上的其他程序,该方法产生一个Process对象,Process对象代表由该Java程序启动的子进程。Process提供了如下3个方法用于程序和其子进程进行通信:
- InputStream getErrorStream():获取子进程的错误流;
- InputStream getInputStream():获取子进程的输入流;
- OutputStream getOutputStream():获取子进程的输出流。
代码实例
package com.wangjun.othersOfJava;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintStream;
import java.util.Scanner;
/*
* 读取其他进程的输出信息
*/
public class ReadFromProcess {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 1\. 读取其他进程的数据
// 运行javac命令,返回该命令的子进程
Process p = Runtime.getRuntime().exec("javac");
// 以p进程的错误流创建BufferedReader对象
// 这个错误流对本程序是输入流,对p进程则是输出流
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(p.getErrorStream()));
String buff = null;
while ((buff = br.readLine()) != null) {
System.out.println(buff);
}
// 2\. 将数据输出到其他程序
Process p2 = Runtime.getRuntime().exec("java ReadStandard");
PrintStream ps = new PrintStream(p2.getOutputStream());
ps.println("普通字符串");
ps.println(new ReadFromProcess());
System.out.println(222);
}
}
class ReadStandard {
public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException {
try (Scanner s = new Scanner(System.in);
PrintStream ps = new PrintStream(new FileOutputStream("out.md"))) {
s.useDelimiter("\n");
while (s.hasNext()) {
ps.println("输入内容是:" + s.next());
}
}
}
}
输出到其他程序,代码运行没有成功,待分析...
Java的NIO
BufferedReader有一个特征,就是读取输入流中的数据时,如果没有读到有效数据,程序将在此处阻塞该线程的执行(使用InputStream的read方法从流中读取数据时,也有这样的特性),java.io下面的输入输出流都是阻塞式的。不仅如此,传统的输入输出流都是通过字节的移动来处理的,及时我们不直接去处理字节流,单底层的实现还是依赖于字节处理,也就是说,面向流的输入输出系统一次只能处理一个字节,因此面向流的输入输出系统通常效率都不高。
为了解决上面的问题,NIO就出现了。NIO采用内存映射文件来处理输入输出,NIO将文件或文件的一段区域映射到内存中,这样就可以像访问内存一样来访问文件了。(这种方式模拟了操作系统上虚拟内存的概念),通过这种方式进行输入输出要快得多。
Channel(通道)和Buffer(缓冲)是NIO中两个核心对象。Channel是对传统的输入输出系统的模拟,在NIO系统中所有的数据都需要通过通道传输,Channel与传统的InputStream、OutputStream最大的区别就是提供了一个map()方法,通过它可以直接将“一块数据”映射到内存中。如果说传统IO是面向流的处理,那么NIO是面向块的处理。
Buffer可以被理解为一个容器,它的本质是一个数组,发送到Channel中所有的对象都必须首先放到Buffer中,从而Channel中读取的数据也必须先放到Buffer中。Buffer既可以一次次从Channel取数据,也可以使用Channel直接将文件的某块数据映射成Buffer。
除了Channel和Buffer之外,NIO还提供了用于将Unicode字符串映射成字节序列以及逆映射操作的Charset类,也提供了用于支持非阻塞式输入输出的Selector类。其中Selector是非阻塞IO的核心。ß
Buffer介绍
在Buffer中有三个重要的概念:
- 容量(capacity):表示Buffer的大小,创建后不能呢过改变;
- 界限(limit):第一个不能被读写的缓冲区的位置,也就是后面的数据不能被读写;
- 位置(position):用于指明下一个可以被读写的缓冲区位置索引。当从Channel读取数据的时候,position的值就等于读到了多少数据。
Buffer的主要作用就是装入数据,然后输出数据。当装入数据结束时,调用flip()方法,该方法将limit设为position所在位置,将position的值设为0,为输出数据做好准备。当输出数据结束后,调用clear()方法,将position的值设为0,limit设为capacity,为下一次的装入数据做准备。
常用的Buffer是CharBuffer和ByteBuffer。
使用put()和get()方法进行数据的放入和读取,分为相对和绝对两种:
- 相对:从Buffer当前position位置开始读取或者写入数据,然后将position的值按处理元素的个数增加;
- 绝对:直接根据索引向Buffer中读取和写入数据,使用绝对方式访问Buffer里的数据时,不会影响position的值。
代码示例
package com.wangjun.othersOfJava;
import java.nio.CharBuffer;
public class NIOBufferTest {
public static void main(String[] args) {
//创建CharBuffer
CharBuffer cb = CharBuffer.allocate(8);
System.out.println("capacity:" + cb.capacity());
System.out.println("limit:" + cb.limit());
System.out.println("position:" + cb.position());
//放入元素
cb.put('a');
cb.put('b');
cb.put('c');
System.out.println("加入三个元素后,position:" + cb.position());
cb.flip();
System.out.println("执行flip()后,limit:" + cb.limit());
System.out.println("执行flip()后,position:" + cb.position());
System.out.println("取出第一个元素: " + cb.get());
System.out.println("取出第一个元素后,position:" + cb.position());
//调用clear方法
cb.clear();
System.out.println("执行clear()后,limit:" + cb.limit());
System.out.println("执行clear()后,position:" + cb.position());
System.out.println("执行clear()后,数据没有清空,第三个值是:" + cb.get(2));
System.out.println("执行绝对读取后,position:" + cb.position());
}
}
通过allocate方法创建的是普通Buffer,还可以通过allocateDirect方法来创建直接Buffer,虽然创建成本比较高,但是读写快。因此适用于长期生存的Buffer,使用方法和普通Buffer类似。注意,只有ByteBuffer提供了此方法,其他类型的想用,可以将该Buffer转成其他类型的Buffer。
Channel(通道)介绍
Channel类似传统的流对象,主要区别如下:
- Channel可以直接将指定文件的部分或全部直接映射成Buffer。
- 程序不能直接访问Channel中的数据,只能通过Buffer交互。
所有的Channel都不应该通过构造器来创建,而是通过传统的InputStream、OutputStream的getChannel()方法来返回对应的Channel,不同的节点流获取的Channel不一样,比如FileInputStream返回的是FileChannel。
Channel常用的方法有三类:map()、read()、write()。map方法将Channel对应的部分或全部数据映射成ByteBuffer;read和write方法都有一系列的重载形式,这些方法用于从Buffer中读取/写入数据。
代码示例
package com.wangjun.othersOfJava;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.CharBuffer;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.CharsetDecoder;
/*
* 将FileChannel的全部数据映射成ByteBuffer
*/
public class NIOChannelTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
File f = new File("NIOChannelTest.md");
//java7新特性try括号内的资源会在try语句结束后自动释放,前提是这些可关闭的资源必须实现 java.lang.AutoCloseable 接口。
try(
FileChannel inChannel = new FileInputStream(f).getChannel();
FileChannel outChannel = new FileOutputStream("a.md").getChannel();
){
//将FileChannel的全部数据映射成ByteBuffer
//map方法的三个参数:1映射模式;2,3控制将哪些数据映射成ByteBuffer
MappedByteBuffer buffer = inChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, f.length());
//直接将buffer的数据全部输出,完成文件的复制: NIOChannelTest.md -> a.md
outChannel.write(buffer);
//以下为了输出文件字符串内容
//使用GBK字符集来创建解码器
Charset charset = Charset.forName("GBK");
//复原limit和position的位置
buffer.clear();
//创建解码器
CharsetDecoder decoder = charset.newDecoder();
//使用解码器将ByteBuffer转成CharBuffer
CharBuffer charBuffer = decoder.decode(buffer);
System.out.println(charBuffer);
}
}
}
除了上面的一次性取数据,也可以分多次取数据
//如果Channel对应的文件过大,使用map方法一次性将所有文件内容映射到内存中可能会因此性能下降
//这时候我们可以适应Channel和Buffer进行多次重复取值
public static void getDataByArray() throws Exception {
try(
//创建文件输入流
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("NIOChannelTest.md");
FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();
){
//定义一个ByteBuffer对象,用于重复取水
ByteBuffer bbuff = ByteBuffer.allocate(64);
while(fileChannel.read(bbuff) != -1) {
bbuff.flip();
Charset charset = Charset.forName("GBK");
//创建解码器
CharsetDecoder decoder = charset.newDecoder();
//使用解码器将ByteBuffer转成CharBuffer
CharBuffer charBuffer = decoder.decode(bbuff);
System.out.println(charBuffer);
//为下一次读取数据做准备
bbuff.clear();
}
}
}
Selector(选择器)介绍
Selector选择器类管理着一个被注册的通道集合的信息和它们的就绪状态。通道是和选择器一起被注册的,并且使用选择器来更新通道的就绪状态。利用 Selector可使一个单独的线程管理多个 Channel,selector 是非阻塞 IO 的核心。
应用
当通道使用register(Selector sel, int ops)方法将通道注册选择器时,选择器对通道事件进行监听,通过第二个参数指定监听的事件类型。
其中可监听的事件类型包括以下:
读 : SelectionKey.OP_READ
写 : SelectionKey.OP_WRITE
连接 : SelectionKey.OP_CONNECT
接收 : SelectionKey.OP_ACCEPT
如果需要监听多个事件可以使用位或
操作符:
int key = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE ; //表示同时监听读写操作
参考:
https://blog.csdn.net/dd864140130/article/details/50299687
文件锁
在NIO中,Java提供了文件锁的支持,使用FileLock来支持文件锁定功能,在FileChannel中提供lock()/tryLock()方法来获取文件锁FileLock对象,从而锁定文件。lock和tryLock的区别是前者无法得到文件锁的时候会阻塞,后者不会阻塞。也支持锁定部分内容,使用lock(long position, long size, boolean shared)即可,其中shared为true时,表明该锁是一个共享锁,可以允许多个县城读取文件,但阻止其他进程获得该文件的排他锁。当shared为false时,表明是一个排他锁,它将锁住对该文件的读写。
默认获取的是排他锁。
代码示例
package com.wangjun.othersOfJava;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.FileLock;
public class FileLockTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
try(
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("a.md");
FileChannel fc = fos.getChannel();
){
//使用非阻塞方式对指定文件加锁
FileLock lock = fc.tryLock();
Thread.sleep(3000);
lock.release();//释放锁
}
}
}
Java的NIO2
Java7对原来的NIO进行了重大改进:
- 提供了全面的文件IO和文件系统访问支持;
- 基于异步Channel的IO。
这里先简单介绍一下对文件系统的支持,后续继续学习。
NIO2提供了一下接口和工具类:
- Path接口:通过和Paths工具类结合使用产生Path对象,可以获取文件根路径、绝对路径、路径数量等;
- Files工具类:提供了很多静态方法,比如复制文件、一次性读取文件所有行、判断是否为隐藏文件、判断文件大小、遍历文件和子目录、访问文件属性等;
- FileVisitor接口:代表一个文件访问器,Files工具类使用walkFileTree方法遍历文件和子目录时,都会触发FileVisitor中相应的方法,比如访问目录之前、之后,访问文件时,访问文件失败时;
- WatchService:监控文件的变化;
NIO和IO的区别
Java的NIO提供了与标准IO不同的工作方式:
- Channels and Buffers(通道和缓冲区):标准的IO基于字节流和字符流进行操作的,没有被缓存在任何地方,而NIO是基于通道(Channel)和缓冲区(Buffer)进行操作,数据总是从通道读取到缓冲区中,或者从缓冲区写入到通道中,因此可以前后移动流中的数据;
- Asynchronous IO(异步IO):Java NIO可以让你异步的使用IO,例如:当线程从通道读取数据到缓冲区时,线程还是可以进行其他事情。当数据被写入到缓冲区时,线程可以继续处理它。从缓冲区写入通道也类似。因为NIO将阻塞交给了后台线程执行,非阻塞IO的空余时间可以用于其他通道上进行IO,因此可以一个线程可以管理多个通道,而IO是阻塞的,阻塞式的IO每个连接必须开一个线程来处理,每个线程都需要珍贵的CPU资源,等待IO的时候,CPU资源没有被释放就被浪费掉了。
- Selectors(选择器):选择器允许一个单独的线程可以监听多个数据通道((网络连接或文件),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。但付出的代价是解析数据可能会比从一个阻塞流中读取数据更复杂。
使用场景
NIO
- 优势在于一个线程管理多个通道;但是数据的处理将会变得复杂;
- 如果需要管理同时打开的成千上万个连接,这些连接每次只是发送少量的数据,采用这种;
传统的IO
- 适用于一个线程管理一个通道的情况;因为其中的流数据的读取是阻塞的;
- 如果需要管理同时打开不太多的连接,这些连接会发送大量的数据;
参考:BIO、NIO、AIO
Netty简介
Netty是一个java开源框架。Netty提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具,用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序。
Netty是一个NIO客户端、服务端框架。允许快速简单的开发网络应用程序。例如:服务端和客户端之间的协议。它最牛逼的地方在于简化了网络编程规范。例如:TCP和UDP的Socket服务。
作者:王小冬
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来源:简书
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