Java IO 详解：从BIO到NIO

Java IO 体系是Java平台中用于输入输出操作的基础框架，涵盖了从简单的文件读写到复杂的网络通信等多种场景。本文将逐步解析Java IO的核心概念，并深入探讨两种主要的IO模型：传统的 Blocking I/O (BIO) 和 New I/O (NIO)。 ### 1. 传统的BIO BIO，即阻塞I/O，是最基本的I/O模型。在BIO中，当进行读写操作时，如果数据没有准备好，线程会被阻塞，直到数据准备就绪。这种模型适用于并发连接数量较小的应用，但在高并发场景下，由于每个连接都需要一个单独的线程处理，资源消耗较大。 ### 2. BIO NIO 和 AIO 的区别 - **BIO**：面向流，阻塞模式，适合连接数少且固定的场景。 - **NIO**：非阻塞I/O，引入了缓冲区和通道的概念，允许单线程处理多个连接，适合高并发场景。 - **AIO**（Async I/O，也称为NIO 2）：异步非阻塞I/O，操作系统负责通知应用程序何时完成I/O操作，进一步降低了CPU等待时间。 ### 3. 什么是流 流是Java IO中的核心概念，它是数据传输的载体，可以代表数据的输入或输出。流按照流向分为输入流和输出流，按照数据类型分为字节流和字符流。 ### 4. 流的分类 - **字节流**：处理的是8位字节的数据，如InputStream和OutputStream家族。 - **字符流**：处理的是16位Unicode字符，如Reader和Writer家族。 ### 5. 节点流和处理流 - **节点流**：直接作用于数据源或目标，如FileInputStream和FileOutputStream是文件节点流。 - **处理流**：不直接与数据源或目标关联，而是包装在其他流之上，提供额外的功能，如BufferedInputStream和BufferedReader。 ### 6. Java IO的核心类 File `File`类是Java访问文件和目录的接口，它可以用来创建、删除、重命名文件和目录，以及获取文件的基本属性。 ### 7. Java IO 流对象 - **InputStream/OutputStream**：字节流的抽象基类，分别处理输入和输出。 - **Reader/Writer**：字符流的抽象基类，同样处理输入和输出。 ### 8. 字节流与字符流的转换 Java提供了`InputStreamReader`和`OutputStreamWriter`，它们作为桥梁，将字节流转换为字符流，以便处理文本数据。 ### 9. 新潮的 NIO NIO引入了缓冲区（Buffer）、通道（Channel）和选择器（Selector）等概念，提高了I/O性能。 - **缓冲区（Buffer）**：用于临时存储数据，可以更高效地读写数据。 - **通道（Channel）**：连接到I/O设备的接口，可以从或向通道读写数据。 - **示例：文件拷贝案例**：使用通道可以实现高效的文件复制，避免了不必要的数据拷贝。 - **BIO和NIO拷贝文件的区别**：NIO通过通道直接在文件系统之间传输数据，减少了内存拷贝，提高了效率。 - **操作系统的零拷贝**：通过系统调用（如sendfile）实现数据在内核空间之间的直接转移，进一步优化性能。 ### 10. 选择器（Selectors） 选择器用于监控多个通道的事件，允许单线程管理多个并发连接。 - **选择键（SelectionKey）**：表示通道与选择器之间的注册关系，记录了通道可进行的操作。 ### 11. 示例：简易的客户端服务器通信 使用NIO的选择器可以实现简单的服务器端，监听多个客户端连接，实现并发服务。 ### 12. 总结 Java IO 体系复杂但强大，从BIO到NIO，从基础的流操作到高级的零拷贝技术，Java提供了丰富的工具来应对各种I/O需求。理解这些概念和机制，对于编写高效、可靠的I/O代码至关重要。通过不断实践和深入学习，可以更好地掌握Java IO的精髓。