前言

一、IO流与系统

IO技术在JDK中算是极其复杂的模块，其复杂的一个关键原因就是IO操作和系统内核的关联性，另外网络编程，文件管理都依赖IO技术，而且都是编程的难点，想要整体理解IO流，先从Linux操作系统开始。

Linux空间隔离

Linux使用是区分用户的，这个是基础常识，其底层也区分用户和内核两个模块：

• User space：用户空间
• Kernel space：内核空间

常识用户空间的权限相对内核空间操作权限弱很多，这就涉及到用户与内核两个模块间的交互，此时部署在服务上的应用如果需要请求系统资源，则在交互上更为复杂：

用户空间本身无法直接向系统发布调度指令，必须通过内核，对于内核中数据的操作，也是需要先拷贝到用户空间，这种隔离机制可以有效的保护系统的安全性和稳定性。

参数查看

可以通过Top命令动态查看各项数据分析，进程占用资源的状况：

• us：用户空间占用CPU的百分比;
• sy：内核空间占用CPU的百分比；
• id：空闲进程占用CPU的百分比；
• wa：IO等待占用CPU的百分比；

对wa指标，在大规模文件任务流程里是监控的核心项之一。

IO协作流程

此时再看上面图【1】的流程，当应用端发起IO操作的请求时，请求沿着链路上的各个节点流转，有两个核心概念：

• 节点交互模式：同步与异步；
• IO数据操作：阻塞与非阻塞；

这里就是文件流中常说的：【同步/异步】IO,【阻塞/非阻塞】IO，下面看细节。

二、IO模型分析

1、同步阻塞

用户线程与内核的交互方式，应用端请求对应一个线程处理，整个过程中accept(接收)和read(读取)方法都会阻塞直至整个动作完成：

在常规CS架构模式中，这是一次IO操作的基本过程，该方式如果在高并发的场景下，客户端的请求响应会存在严重的性能问题，并且占用过多资源。

2、同步非阻塞

在同步阻塞IO的基础上进行优化，当前线程不会一直等待数据就绪直到完成复制：

在线程请求后会立即返回，并不断轮询直至拿到数据，才会停止轮询，这种模式的缺陷也是显而易见的，如果数据准备好，在通知线程完成后续动作，这样就可以省掉很多中间交互。

3、异步通知模式

在异步模式下，彻底摒弃阻塞机制，过程分段进行交互，这与常规的第三方对接模式很相似，本地服务在请求第三方服务时，如果请求过程耗时很大，会异步执行，第三方第一次回调，确认请求可以被执行；第二次回调则是推送处理结果，这种思想在处理复杂问题时，可以很大程度的提高性能，节省资源：

异步模式对于性能的提升是巨大的，当然其相应的处理机制也更复杂，程序的迭代和优化是无止境的，在NIO模式中再次对IO流模式进行优化。

三、File文件类

1、基础描述

File类作为文件和目录路径名的抽象表示，用来获取磁盘文件的相关元数据信息，例如：文件名称、大小、修改时间、权限判断等。

注意：File并不操作文件承载的数据内容，文件内容称为数据，文件自身信息称为元数据。

public class File01 {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1、读取指定文件File speFile = new File(IoParam.BASE_PATH+"fileio-03.text") ;if (!speFile.exists()){boolean creFlag = speFile.createNewFile() ;System.out.println("创建："+speFile.getName()+"; 结果："+creFlag);}// 2、读取指定位置File dirFile = new File(IoParam.BASE_PATH) ;// 判断是否目录boolean dirFlag = dirFile.isDirectory() ;if (dirFlag){File[] dirFiles = dirFile.listFiles() ;printFileArr(dirFiles);}// 3、删除指定文件if (speFile.exists()){boolean delFlag = speFile.delete() ;System.out.println("删除："+speFile.getName()+"; 结果："+delFlag);}}private static void printFileArr (File[] fileArr){if (fileArr != null && fileArr.length>0){for (File file : fileArr) {printFileInfo(file) ;}}}private static void printFileInfo (File file) {System.out.println("名称："+file.getName());System.out.println("长度："+file.length());System.out.println("路径："+file.getPath());System.out.println("文件判断："+file.isFile());System.out.println("目录判断："+file.isDirectory());System.out.println("最后修改："+new Date(file.lastModified()));System.out.println();}
}
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.38.39.40.41.

上述案例使用了File类中的基本构造和常用方法（读取、判断、创建、删除）等，JDK源码在不断的更新迭代，通过类的构造器、方法、注释等去判断类具有的基本功能，是作为开发人员的必备能力。

在File文件类中缺乏两个关键信息描述：类型和编码，如果经常开发文件模块的需求，就知道这是两个极其复杂的点，很容易出现问题，下面站在实际开发的角度看看如何处理。

2、文件业务场景

如图所示，在常规的文件流任务中，会涉及【文件、流、数据】三种基本形式的转换：

基本过程描述：

• 源文件生成，推送文件中心；
• 通知业务使用节点获取文件；
• 业务节点进行逻辑处理；

很显然的一个问题，任何节点都无法适配所有文件处理策略，比如类型与编码，面对复杂场景下的问题，规则约束是常用的解决策略，即在约定规则之内的事情才处理。

上面流程中，源文件节点通知业务节点时的数据主体描述：

public class BizFile {/*** 文件任务批次号*/private String taskId ;/*** 是否压缩*/private Boolean zipFlag ;/*** 文件地址*/private String fileUrl ;/*** 文件类型*/private String fileType ;/*** 文件编码*/private String fileCode ;/*** 业务关联：数据库*/private String bizDataBase ;/*** 业务关联：数据表*/private String bizTableName ;
}
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.

把整个过程当做一个任务进行封装，即：任务批次、文件信息、业务库表路由等，当然这些信息也可以直接标记在文件命名的策略上，处理的手段类似：

/*** 基于约定策略读取信息*/
public class File02 {public static void main(String[] args) {BizFile bizFile = new BizFile("IN001",Boolean.FALSE, IoParam.BASE_PATH,"csv","utf8","model","score");bizFileInfo(bizFile) ;/** 业务性校验*/File file = new File(bizFile.getFileUrl());if (!file.getName().endsWith(bizFile.getFileType())){System.out.println(file.getName()+"：描述错误...");}}private static void bizFileInfo (BizFile bizFile){logInfo("任务ID",bizFile.getTaskId());logInfo("是否解压",bizFile.getZipFlag());logInfo("文件地址",bizFile.getFileUrl());logInfo("文件类型",bizFile.getFileType());logInfo("文件编码",bizFile.getFileCode());logInfo("业务库",bizFile.getBizDataBase());logInfo("业务表",bizFile.getBizTableName());}
}
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.

基于主体描述的信息，也可以转化到命名规则上：命名策略：编号_压缩_Excel_编码_库_表，这样一来在业务处理时，不符合约定的文件直接排除掉，降低文件异常导致的数据问题。

四、基础流模式

1、整体概述

IO流向

基本编码逻辑：源文件->输入流->逻辑处理->输出流->目标文件；

基于不同的角度看，流可以被划分很多模式：

• 流动方向：输入流、输出流；
• 流数据类型：字节流、字符流；

IO流的模式有很多种，相应的API设计也很复杂，通常复杂的API要把握住核心接口与常用的实现类和原理。

基础API

• 字节流：InputStream输入、OutputStream输出；数据传输的基本单位是字节；

  • read()：输入流中读取数据的下一个字节；
  • read(byte b[])：读数据缓存到字节数组；
  • write(int b)：指定字节写入输出流；
  • write(byte b[])：数组字节写入输出流；

• 字符流：Reader读取、Writer写出；数据传输的基本单位是字符；

  • read()：读取一个单字符；
  • read(char cbuf[])：读取到字符数组；
  • write(int c)：写一个指定字符；
  • write(char cbuf[])：写一个字符数组；

缓冲模式

IO流常规读写模式，即读取到数据然后写出，还有一种缓冲模式，即数据先加载到缓冲数组，在读取的时候判断是否要再次填充缓冲区：

缓冲模式的优点十分明显，保证读写过程的高效率，并且与数据填充过程隔离执行，在BufferedInputStream、BufferedReader类中是对缓冲逻辑的具体实现。

2、字节流

API关系图：

字节流基础API：

public class IoByte01 {public static void main(String[] args) throws Exception {// 源文件 目标文件File source = new File(IoParam.BASE_PATH+"fileio-01.png") ;File target = new File(IoParam.BASE_PATH+"copy-"+source.getName()) ;// 输入流 输出流InputStream inStream = new FileInputStream(source) ;OutputStream outStream = new FileOutputStream(target) ;// 读入 写出byte[] byteArr = new byte[1024];int readSign ;while ((readSign=inStream.read(byteArr)) != -1){outStream.write(byteArr);}// 关闭输入、输出流outStream.close();inStream.close();}
}
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.

字节流缓冲API：

public class IoByte02 {public static void main(String[] args) throws Exception {// 源文件 目标文件File source = new File(IoParam.BASE_PATH+"fileio-02.png") ;File target = new File(IoParam.BASE_PATH+"backup-"+source.getName()) ;// 缓冲：输入流 输出流InputStream bufInStream = new BufferedInputStream(new FileInputStream(source));OutputStream bufOutStream = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(target));// 读入 写出int readSign ;while ((readSign=bufInStream.read()) != -1){bufOutStream.write(readSign);}// 关闭输入、输出流bufOutStream.close();bufInStream.close();}
}
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.

字节流应用场景：数据是文件本身，例如图片，视频，音频等。

3、字符流

API关系图：

字符流基础API：

public class IoChar01 {public static void main(String[] args) throws Exception {// 读文本 写文本File readerFile = new File(IoParam.BASE_PATH+"io-text.txt") ;File writerFile = new File(IoParam.BASE_PATH+"copy-"+readerFile.getName()) ;// 字符输入输出流Reader reader = new FileReader(readerFile) ;Writer writer = new FileWriter(writerFile) ;// 字符读入和写出int readSign ;while ((readSign = reader.read()) != -1){writer.write(readSign);}writer.flush();// 关闭流writer.close();reader.close();}
}
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.

字符流缓冲API：

public class IoChar02 {public static void main(String[] args) throws Exception {// 读文本 写文本File readerFile = new File(IoParam.BASE_PATH+"io-text.txt") ;File writerFile = new File(IoParam.BASE_PATH+"line-"+readerFile.getName()) ;// 缓冲字符输入输出流BufferedReader bufReader = new BufferedReader(new FileReader(readerFile)) ;BufferedWriter bufWriter = new BufferedWriter(new FileWriter(writerFile)) ;// 字符读入和写出String line;while ((line = bufReader.readLine()) != null){bufWriter.write(line);bufWriter.newLine();}bufWriter.flush();// 关闭流bufWriter.close();bufReader.close();}
}
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.

字符流应用场景：文件作为数据的载体，例如Excel、CSV、TXT等。

4、编码解码

• 编码：字符转换为字节；
• 解码：字节转换为字符；

public class EnDeCode {public static void main(String[] args) throws Exception {String var = "IO流" ;// 编码byte[] enVar = var.getBytes(StandardCharsets.UTF_8) ;for (byte encode:enVar){System.out.println(encode);}// 解码String deVar = new String(enVar,StandardCharsets.UTF_8) ;System.out.println(deVar);// 乱码String messyVar = new String(enVar,StandardCharsets.ISO_8859_1) ;System.out.println(messyVar);}
}
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.

乱码出现的根本原因，就是在编码与解码的两个阶段使用的编码类型不同。

5、序列化

• 序列化：对象转换为流的过程；
• 反序列化：流转换为对象的过程；

public class SerEntity implements Serializable {private Integer id ;private String name ;
}
public class Seriali01 {public static void main(String[] args) throws Exception {// 序列化对象OutputStream outStream = new FileOutputStream("SerEntity.txt") ;ObjectOutputStream objOutStream = new ObjectOutputStream(outStream);objOutStream.writeObject(new SerEntity(1,"Cicada"));objOutStream.close();// 反序列化对象InputStream inStream = new FileInputStream("SerEntity.txt");ObjectInputStream objInStream = new ObjectInputStream(inStream) ;SerEntity serEntity = (SerEntity) objInStream.readObject();System.out.println(serEntity);inStream.close();}
}
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.

注意：引用类型的成员对象也必须是可被序列化的，否则会抛出NotSerializableException异常。

五、NIO模式

1、基础概念

NIO即（NonBlockingIO），面向数据块的处理机制，同步非阻塞模型，服务端的单个线程可以处理多个客户端请求，对IO流的处理速度有极高的提升，三大核心组件：

• Buffer(缓冲区)：底层维护数组存储数据；
• Channel(通道)：支持读写双向操作；
• Selector(选择器)：提供Channel多注册和轮询能力；

API使用案例

public class IoNew01 {public static void main(String[] args) throws Exception {// 源文件 目标文件File source = new File(IoParam.BASE_PATH+"fileio-02.png") ;File target = new File(IoParam.BASE_PATH+"channel-"+source.getName()) ;// 输入字节流通道FileInputStream inStream = new FileInputStream(source);FileChannel inChannel = inStream.getChannel();// 输出字节流通道FileOutputStream outStream = new FileOutputStream(target);FileChannel outChannel = outStream.getChannel();// 直接通道复制// outChannel.transferFrom(inChannel, 0, inChannel.size());// 缓冲区读写机制ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);while (true) {// 读取通道中数据到缓冲区int in = inChannel.read(buffer);if (in == -1) {break;}// 读写切换buffer.flip();// 写出缓冲区数据outChannel.write(buffer);// 清空缓冲区buffer.clear();}outChannel.close();inChannel.close();}
}
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.

上述案例只是NIO最基础的文件复制能力，在网络通信中，NIO模式的发挥空间十分宽广。

2、网络通信

服务端的单线程可以处理多个客户端请求，通过轮询多路复用器查看是否有IO请求，这样一来，服务端的并发能力得到极大的提升，并且显著降低了资源的消耗。

API案例：服务端模拟

public class SecServer {public static void main(String[] args) {try {//启动服务开启监听ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();socketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8089));// 设置非阻塞，接受客户端socketChannel.configureBlocking(false);// 打开多路复用器Selector selector = Selector.open();// 服务端Socket注册到多路复用器，指定兴趣事件socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);// 多路复用器轮询ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);while (selector.select() > 0){Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> selectionKeyIter = selectionKeys.iterator();while (selectionKeyIter.hasNext()){SelectionKey selectionKey = selectionKeyIter.next() ;selectionKeyIter.remove();if(selectionKey.isAcceptable()) {// 接受新的连接SocketChannel client = socketChannel.accept();// 设置读非阻塞client.configureBlocking(false);// 注册到多路复用器client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);} else if (selectionKey.isReadable()) {// 通道可读SocketChannel client = (SocketChannel) selectionKey.channel();int len = client.read(buffer);if (len > 0){buffer.flip();byte[] readArr = new byte[buffer.limit()];buffer.get(readArr);System.out.println(client.socket().getPort() + "端口数据:" + new String(readArr));buffer.clear();}}}}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.38.39.40.41.42.43.44.45.46.47.

API案例：客户端模拟

public class SecClient {public static void main(String[] args) {try {// 连接服务端SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8089));ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);String conVar = "[hello-8089]";writeBuffer.put(conVar.getBytes());writeBuffer.flip();// 每隔5S发送一次数据while (true) {Thread.sleep(5000);writeBuffer.rewind();socketChannel.write(writeBuffer);writeBuffer.clear();}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.

SelectionKey绑定Selector和Chanel之间的关联，并且可以获取就绪状态下的Channel集合。

六、源代码地址

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GitHub·地址
https://github.com/cicadasmile/java-base-parent
GitEE·地址
https://gitee.com/cicadasmile/java-base-parent

最后

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