Java IO

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Java面试笔记

概览

Java 的 I/O 大概可以分成以下几类

  1. 磁盘操作:File
  2. 字节操作:InputStream 和 OutputStream
  3. 字符操作:Reader 和 Writer
  4. 对象操作:Serializable
  5. 网络操作:Socket
  6. 非阻塞式 IO:NIO

磁盘操作

File 类可以用于表示文件和目录,但是它只用于表示文件的信息,而不表示文件的内容。

字节操作

Java I/O 使用了装饰者模式来实现。以 InputStream 为例,InputStream 是抽象组件,FileInputStream 是 InputStream 的子类,属于具体组件,提供了字节流的输入操作。FilterInputStream 属于抽象装饰者,装饰者用于装饰组件,为组件提供额外的功能,例如 BufferedInputStream 为 FileInputStream 提供缓存的功能。实例化一个具有缓存功能的字节流对象时,只需要在 FileInputStream 对象上再套一层 BufferedInputStream 对象即可。

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BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(file));

DataInputStream 装饰者提供了对更多数据类型进行输入的操作,比如 int、double 等基本类型。

批量读入文件中的内容到字节数组中

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byte[] buf = new byte[20*1024];
int bytes = 0;
// 最多读取 buf.length 个字节,返回的是实际读取的个数,返回 -1 的时候表示读到 eof,即文件尾
while((bytes = in.read(buf, 0 , buf.length)) != -1) {
// ...
}

字符操作

不管是磁盘还是网络传输,最小的存储单元都是字节,而不是字符,所以 I/O 操作的都是字节而不是字符。但是在程序中操作的数据通常是字符形式,因此需要提供对字符进行操作的方法。

InputStreamReader 实现从文本文件的字节流解码成字符流;OutputStreamWriter 实现字符流编码成为文本文件的字节流。它们都继承自 Reader 和 Writer。

编码就是把字符转换为字节,而解码是把字节重新组合成字符。

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byte[] bytes = str.getBytes(encoding);     // 编码
String str = new String(bytes, encoding); // 解码

GBK 编码中,中文占 2 个字节,英文占 1 个字节;UTF-8 编码中,中文占 3 个字节,英文占 1 个字节;Java 使用双字节编码 UTF-16be,中文和英文都占 2 个字节。

如果编码和解码过程使用不同的编码方式那么就出现了乱码。

对象操作

序列化就是将一个对象转换成字节序列,方便存储和传输。

序列化:ObjectOutputStream.writeObject()

反序列化:ObjectInputStream.readObject()

序列化的类需要实现 Serializable 接口,它只是一个标准,没有任何方法需要实现。

transient 关键字可以使一些属性不会被序列化。

ArrayList 序列化和反序列化的实现:ArrayList 中存储数据的数组是用 transient 修饰的,因为这个数组是动态扩展的,并不是所有的空间都被使用,因此就不需要所有的内容都被序列化。通过重写序列化和反序列化方法,使得可以只序列化数组中有内容的那部分数据。

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private transient Object[] elementData;

网络操作

Java 中的网络支持:

  1. InetAddress:用于表示网络上的硬件资源,即 IP 地址;
  2. URL:统一资源定位符,通过 URL 可以直接读取或者写入网络上的数据;
  3. Sockets:使用 TCP 协议实现网络通信;
  4. Datagram:使用 UDP 协议实现网络通信。

1. InetAddress

没有公有构造函数,只能通过静态方法来创建实例,比如 InetAddress.getByName(String host)、InetAddress.getByAddress(byte[] addr)。

2. URL

可以直接从 URL 中读取字节流数据

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URL url = new URL("http://www.baidu.com");
InputStream is = url.openStream(); // 字节流
InputStreamReader isr = new InputStreamReader(is, "utf-8"); // 字符流
BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
String line = br.readLine();
while (line != null) {
System.out.println(line);
line = br.readLine();
}
br.close();
isr.close();
is.close();

3. Sockets

Socket 通信模型

  • ServerSocket:服务器端类
  • Socket:客户端类

服务器和客户端通过 InputStream 和 OutputStream 进行输入输出。

4. Datagram

  • DatagramPacket:数据包类
  • DatagramSocket:通信类

NIO

NIO 将最耗时的 I/O 操作 ( 即填充和提取缓冲区 ) 转移回操作系统,因而 不需要程序员去控制就可以极大地提高运行速度。

1. 流与块

I/O 与 NIO 最重要的区别是数据打包和传输的方式。正如前面提到的,I/O 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据。

面向流的 I/O 一次一个字节进行处理数据,一个输入流产生一个字节的数据,一个输出流消费一个字节的数据。为流式数据创建过滤器非常容易,链接几个过滤器,以便每个过滤器只负责单个复杂处理机制的一部分,这样也是相对简单的。不利的一面是,面向流的 I/O 通常相当慢。

一个面向块的 I/O 系统以块的形式处理数据,每一个操作都在一步中产生或者消费一个数据块。按块处理数据比按流处理数据要快得多。但是面向块的 I/O 缺少一些面向流的 I/O 所具有的优雅性和简单性。

I/O 包和 NIO 已经很好地集成了,java.io.* 已经以 NIO 为基础重新实现了,所以现在它可以利用 NIO 的一些特性。例如, java.io.* 包中的一些类包含以块的形式读写数据的方法,这使得即使在更面向流的系统中,处理速度也会更快。

2. 通道与缓冲区

2.1 通道

通道 Channel 是对原 I/O 包中的流的模拟,可以通过它读取和写入数据。

通道与流的不同之处在于,流只能在一个方向上移动,(一个流必须是 InputStream 或者 OutputStream 的子类), 而通道是双向的,可以用于读、写或者同时用于读写。

通道包括以下类型:

  • FileChannel:从文件中读写数据;
  • DatagramChannel:通过 UDP 读写网络中数据;
  • SocketChannel:通过 TCP 读写网络中数据;
  • ServerSocketChannel:可以监听新进来的 TCP 连接,对每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel。

2.2 缓冲区

发送给一个通道的所有对象都必须首先放到缓冲区中;同样地,从通道中读取的任何数据都要读到缓冲区中。也就是说,不会直接对通道进行读写数据,而是先经过缓冲区。

缓冲区实质上是一个数组,但它不仅仅是一个数组。缓冲区提供了对数据的结构化访问,而且还可以跟踪系统的读/写进程。

缓冲区包括以下类型:

  • ByteBuffer
  • CharBuffer
  • ShortBuffer
  • IntBuffer
  • LongBuffer
  • FloatBuffer
  • DoubleBuffer

3. 缓冲区状态变量

  • capacity:最大容量;
  • position:当前已经读写的字节数;
  • limit:还可以读写的字节数。

状态变量的改变过程:

1. 新建一个大小为 8 个字节的缓冲区,此时 position 为 0,而 limit == capacity == 9。capacity 变量不会改变,下面的讨论会忽略它。

2. 从输入通道中读取 3 个字节数据写入缓冲区中,此时 position 移动设为 3,limit 保持不变。

3. 在将缓冲区的数据写到输出通道之前,需要先调用 flip() 方法,这个方法将 limit 设置为当前 position,并将 position 设置为 0。

4. 从缓冲区中取 4 个字节到输出缓冲中,此时 position 设为 4。

5. 最后需要调用 clear() 方法来清空缓冲区,此时 position 和 limit 都被设置为最初位置。

4. 读写文件实例

1. 为要读取的文件创建 FileInputStream,之后通过 FileInputStream 获取输入 FileChannel;

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FileInputStream fin = new FileInputStream("readandshow.txt");
FileChannel fic = fin.getChannel();

2. 创建一个容量为 1024 的 Buffer

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ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

3. 将数据从输入 FileChannel 写入到 Buffer 中,如果没有数据的话, read() 方法会返回 -1

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int r = fcin.read(buffer);
if (r == -1) {
break;
}

4. 为要写入的文件创建 FileOutputStream,之后通过 FileOutputStream 获取输出 FileChannel

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FileOutputStream fout = new FileOutputStream("writesomebytes.txt");
FileChannel foc = fout.getChannel();

5. 调用 flip() 切换读写

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buffer.flip();

6. 把 Buffer 中的数据读取到输出 FileChannel 中

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foc.write(buffer);

7. 最后调用 clear() 重置缓冲区

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buffer.clear();

5. 阻塞与非阻塞

应当注意,FileChannel 不能切换到非阻塞模式,套接字 Channel 可以。

5.1 阻塞式 I/O

阻塞式 I/O 在调用 InputStream.read() 方法时会一直等到数据到来时(或超时)才会返回,在调用 ServerSocket.accept() 方法时,也会一直阻塞到有客户端连接才会返回,每个客户端连接过来后,服务端都会启动一个线程去处理该客户端的请求。

5.2 非阻塞式 I/O

由一个专门的线程来处理所有的 I/O 事件,并负责分发。

事件驱动机制:事件到的时候触发,而不是同步的去监视事件。

线程通信:线程之间通过 wait()、notify() 等方式通信,保证每次上下文切换都是有意义的,减少无谓的线程切换。

6. 套接字实例

6.1 ServerSocketChannel

每一个端口都需要有一个 ServerSocketChannel 用来监听连接。

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ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false); // 设置为非阻塞

ServerSocket ss = ssc.socket();
InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(ports[i]);
ss.bind(address); // 绑定端口号

6.2 Selectors

异步 I/O 通过 Selector 注册对特定 I/O 事件的兴趣 ― 可读的数据的到达、新的套接字连接等等,在发生这样的事件时,系统将会发送通知。

创建 Selectors 之后,就可以对不同的通道对象调用 register() 方法。register() 的第一个参数总是这个 Selector。第二个参数是 OP_ACCEPT,这里它指定我们想要监听 accept 事件,也就是在新的连接建立时所发生的事件。

SelectionKey 代表这个通道在此 Selector 上的这个注册。当某个 Selector 通知您某个传入事件时,它是通过提供对应于该事件的 SelectionKey 来进行的。SelectionKey 还可以用于取消通道的注册。

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Selector selector = Selector.open();
SelectionKey key = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

6.3 主循环

首先,我们调用 Selector 的 select() 方法。这个方法会阻塞,直到至少有一个已注册的事件发生。当一个或者更多的事件发生时, select() 方法将返回所发生的事件的数量。

接下来,我们调用 Selector 的 selectedKeys() 方法,它返回发生了事件的 SelectionKey 对象的一个 集合 。

我们通过迭代 SelectionKeys 并依次处理每个 SelectionKey 来处理事件。对于每一个 SelectionKey,您必须确定发生的是什么 I/O 事件,以及这个事件影响哪些 I/O 对象。

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int num = selector.select();

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator it = selectedKeys.iterator();

while (it.hasNext()) {
SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
// ... deal with I/O event ...
}

6.4 监听新连接

程序执行到这里,我们仅注册了 ServerSocketChannel,并且仅注册它们“接收”事件。为确认这一点,我们对 SelectionKey 调用 readyOps() 方法,并检查发生了什么类型的事件:

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if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT)
== SelectionKey.OP_ACCEPT) {
// Accept the new connection
// ...
}

可以肯定地说, readOps() 方法告诉我们该事件是新的连接。

6.5 接受新的连接

因为我们知道这个服务器套接字上有一个传入连接在等待,所以可以安全地接受它;也就是说,不用担心 accept() 操作会阻塞:

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ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel)key.channel();
SocketChannel sc = ssc.accept();

下一步是将新连接的 SocketChannel 配置为非阻塞的。而且由于接受这个连接的目的是为了读取来自套接字的数据,所以我们还必须将 SocketChannel 注册到 Selector上,如下所示:

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sc.configureBlocking( false );
SelectionKey newKey = sc.register( selector, SelectionKey.OP_READ );

注意我们使用 register() 的 OP_READ 参数,将 SocketChannel 注册用于 读取 而不是 接受 新连接。

6.6 删除处理过的 SelectionKey

在处理 SelectionKey 之后,我们几乎可以返回主循环了。但是我们必须首先将处理过的 SelectionKey 从选定的键集合中删除。如果我们没有删除处理过的键,那么它仍然会在主集合中以一个激活的键出现,这会导致我们尝试再次处理它。我们调用迭代器的 remove() 方法来删除处理过的 SelectionKey:

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it.remove();

现在我们可以返回主循环并接受从一个套接字中传入的数据(或者一个传入的 I/O 事件)了。

6.7 传入的 I/O

当来自一个套接字的数据到达时,它会触发一个 I/O 事件。这会导致在主循环中调用 Selector.select(),并返回一个或者多个 I/O 事件。这一次, SelectionKey 将被标记为 OP_READ 事件,如下所示:

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} else if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ)
== SelectionKey.OP_READ) {
// Read the data
SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
// ...
}

参考资料

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