Java中的IO流

一、Java中IO流按不同的特点有以下区分：

• 按照流的流向分: 分为 输入流 和 输出流
• 按照操作单元划分，分为 字节流 和 字符流
• 按照流的角色划分，分为 节点流 和 处理流

字节与字符：

bit（位）是最小的二进制单位，是计算机的操作部分。取值0或1
byte（字节）是计算机操作数据的最小单位，由8 bit 组成，取值（-128~127）
char（字符）是用户可读写的最小单位，在Java中由16 bit组成，取值（0-65535）

总结如下:
1 byte = 8 bit
1 char = 16 bit

注：
输入流是把数据写入存储介质的。
输出流是从存储介质中把数据读取出来的

 

1、字节流（InputStream、OutputStream）

操作byte类型的数据，不用缓冲区，直接对文件本身操作

2、字符流（Reader、Writer）

操作字符（char）类型类型数据，使用缓冲区缓冲字符，不关闭流就不会输出任何内容

3、相互转换（用于字节和字符流的转换）

OutputStreamWriter：是 Writer 的子类，将输出的字符流变为字节流，即将一个字符流的输出对象变为字节流输出对象。

InputStreamReader：是 Reader 的子类，将输入的字节流变为字符流，即将一个字 节流的输入对象变为字符流的输入对象。

二、同步 / 异步，阻塞 / 非阻塞

1、同步与异步描述的是被调用者的

如 A 调用 B
如果是同步，B 在接到 A 的调用后，会立即执行要做的事。A 的本次调用可以得到结果。

如果是异步，B 在接到 A 的调用后，不保证会立即执行要做的事，但是保证会去做，B在做好了之后会通知 A。
A 的本次调用得不到结果，但是 B 执行完之后会通知 A。

2、阻塞和非阻塞描述的是调用者的

如 A 调用 B：
如果是阻塞，A 在发出调用后，要一直等待，等着 B 返回结果。
如果是非阻塞，A 在发出调用后，不需要等待，可以去做自己的事情。

3、同步不一定阻塞、异步也不一定非阻塞。他们之间没有必然联系

举个简单的例子，老张烧水。
1. 老张把水壶放到火上，一直在水壶旁等着水开。（同步阻塞）；
2. 老张把水壶放到火上，去客厅看电视，时不时去厨房看看水开没有。（同步非阻塞）；
3. 老张把响水壶放到火上，一直在水壶旁等着水开。（异步阻塞） ；
4. 老张把响水壶放到火上，去客厅看电视，水壶响之前不再去看它了，响了再去拿壶。（异步非阻塞）。

1 和 2 的区别是，调用方在得到返回之前所做的事情不一样。 1 和 3 的区别是，被调 用方对于烧水的处理不一样。

三、Linux 5 种IO模型

1、BIO（阻塞式IO，Blocking IO）

最传统的一种 IO 模型，即在读写数据过程中会发生阻塞现象。

当用户线程发出 IO 请求之后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数
据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用户线程交出 CPU。当数据就绪之后，内核会将
数据拷贝到用户线程，并返回结果给用户线程，用户线程才解除 block 状态。

典型的阻塞 IO 模型的例子为： data = socket.read(); 如果数据没有就绪，就会一直阻塞在 read 方法。

2、NIO（非阻塞式IO, Non-bloking IO）

当用户线程发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。

如果结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。
一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。

所以事实上，在非阻塞IO模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞IO不会交出CPU，而会一直占用CPU。

在 Java 1.4 中引⼊了 NIO 框架，对应 java.nio 包，提供了 Channel , Selector，Buffer 等抽象
它⽀持⾯向缓冲的，基于通道的 I/O 操作⽅法。 
NIO 提供了与传统 BIO 模型中的 Socket 和 ServerSocket 相对应的 SocketChannel 和ServerSocketChannel 
两种不同的套接字通道实现，两种通道都至此阻塞和非阻塞两种模式

典典型的非阻塞IO模型一般如下：

while(true){
    data = socket.read();
    if(data!= error){
        处理数据
        break;
    }
}

但是对于非阻塞IO就有一个非常严重的问题，在while循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪，这样会导致CPU占用率非常高，因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。

NIO与BIO之间最重要的区别是数据打包和传输的方式。原来的 I/O 以流的方式处理数据，而 NIO 以块的方式处理数据。

3、IO多路复用（IO multiplexing）

多路复用IO模型是目前使用得比较多的模型。Java NIO实际上就是多路复用IO。

在多路复用IO模型中，会有一个线程不断去轮询多个socket的状态，只有当socket真正有读写事件时，才真正调用实际的IO读写操作。因为在多路复用IO模型中，只需要使用一个线程就可以管理多个socket，系统不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线程和进程，并且只有在真正有socket读写事件进行时，才会使用IO资源，所以它大大减少了资源占用。

在Java NIO中，是通过selector.select()去查询每个通道是否有到达事件，如果没有事件，则一直阻塞在那里，因此这种方式会导致用户线程的阻塞。

也许有朋友会说，我可以采用 多线程+ 阻塞IO 达到类似的效果，但是由于在多线程 + 阻塞IO 中，每个socket对应一个线程，这样会造成很大的资源占用，并且尤其是对于长连接来说，线程的资源一直不会释放，如果后面陆续有很多连接的话，就会造成性能上的瓶颈。

而多路复用IO模式，通过一个线程就可以管理多个socket，只有当socket真正有读写事件发生才会占用资源来进行实际的读写操作。因此，多路复用IO比较适合连接数比较多的情况。

另外多路复用IO为何比非阻塞IO模型的效率高是因为在非阻塞IO中，不断地询问socket状态是通过用户线程去进行的，而在多路复用IO中，轮询每个socket状态是内核在进行的，这个效率要比用户线程要高的多。

不过要注意的是，多路复用IO模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达，并且对到达的事件逐一进行响应。因此对于多路复用IO模型来说，一旦事件响应体很大，那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理，并且会影响新的事件轮询。

4、AIO（(异步IO，Asynchronous I/O）

AIO 也就是 NIO 2。在 Java 7 中引⼊了 NIO 的改进版 NIO 2,它
是异步⾮阻塞的 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。
AIO 是异步 IO 的缩写，虽然 NIO 在⽹络操作中，提供了⾮阻塞的⽅法，但是 NIO 的 IO ⾏
为还是同步的。对于 NIO 来说，我们的业务线程是在 IO 操作准备好时，得到通知，接着就
由这个线程⾃⾏进⾏ IO 操作，IO 操作本身是同步的。查阅⽹上相关资料，我发现就⽬前来
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。

 四、BIO、NIO、AIO区别

BIO （Blocking I/O）：
同步阻塞I/O模式，数据的读取写入必须阻塞在一个线程内等待其完成。
这里假设一个烧开水的场景，有一排水壶在烧开水，BIO的工作模式就是， 叫一个线程停留在一个水壶那，
直到这个水壶烧开，才去处理下一个水壶。但是实际上线程在等待水壶烧开的时间段什么都没有做。

NIO （New I/O）：同时支持阻塞与非阻塞模式，但这里我们以其同步非阻塞I/O模式来说明，那么什么叫做同步非阻塞？
如果还拿烧开水来说，NIO的做法是叫一个线程不断地轮询每个水壶的状态，看看是否有水壶的状态发生了改变，从而进行下一步的操作。

AIO （ Asynchronous I/O）：异步非阻塞I/O模型。异步非阻塞与同步非阻塞的区别在哪里？
异步非阻塞无需一个线程去轮询所有IO操作的状态改变，在相应的状态改变后，系统会通知对应的线程来处理。
对应到烧开水中就是，为每个水壶上面装了一个开关，水烧开之后，水壶会自动通知我水烧开了。

五、各自适应的场景

BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中
JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。

NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，
JDK1.4开始支持。

AIO方式适用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，
编程比较复杂，JDK7开始支持