java之I/O

“流”概念源于UNIX中的管道（pipe）的概念。流是一组有顺序的，有起点和终点的字节集合，是对数据传输的总称或抽象。即数据在两设备间的传输称为流，流的本质是数据传输，根据数据传输特性将流抽象为各种类，方便更直观的进行数据操作。在UNIX中，管道是一条不间断的字节流，用来实现程序或进程间的通信，或读写外围设备、外部文件等，它屏蔽了实际的I/O设备中处理数据的细节。 一个流，必有源端和目的端，它们可以是计算机内存的某些区域，也可以是磁盘文件，甚至可以是Internet上的某个URL。 流的方向是重要的，根据流的方向，流可以分为两类：输入流和输出流。其实输入/输出是想对于内存来说的。实际上，流的源端和目的端可简单地看成是字节的生产者和消费者，对于输入流，可不必关心它的源端是什么，只要简单地从流中读数据，而对输出流，也可不知道它的目的端，只是简单地往流中写数据。
a.流：一组有序的数据序列。
b字节流：数据流中最小的数据单元是字节。
c.字符流：数据流中最小的数据单元是字符。
一. java.io包中的类对应两类流
一类流直接从指定的位置（如磁盘文件或内存区域）读或写，这类流称为结点流，其他的流则称为过滤流（包装流）
过滤流：一些流可以从文件以及其他地方接收字节，另一些流可以将字节组合成更有用的数据类型。将一个已经存在的流传递给另一个流的构造方法，将这两种流结合起来，结合后的流被称为过滤流。过滤器输入流往往是以其它输入流作为它的输入源，经过过滤或处理后再以新的输入流的形式提供给用户，过滤器输出流也类似。我们很少用单一的类来创建流对象，而是通过叠合多个对象来提供所期望的功能（即装饰器设计模式）。
java的常用输入、输出流其实都是继承自4个抽象类，分别是：
基于单字节的InputStream,OutputStream类（面向字节形式的Ｉ/Ｏ）
基于双字节的Unicode代码单元的 Reader， Writer类（面向字符形式的Ｉ/Ｏ）
一旦打开输入流后，程序就可从输入流串行地读数据。从输入流读/写数据的过程一般如下：打开一个流通道-->读取/写信息-->关闭流通道。
在java平台中，有以下两种方式能获得本地平台的字符编码类型：
（a）System.getProperty("file.encoding");
（b) Charset cs=Charset.defaultCharset();
所有的输入流、输出流都可以分为字节（输入、输出）流，字符（输入、输出）流，处理字节的主要是（OutputStream/InputStream） 系列，处理字符的，主要是（Reader/Write）系列
二.以字节（Byte）为导向的输入流（InputStream系列），这几个类都可以与FileInputStream对象相连以提供有用接口：
ByteArrayInputStream：把内存中的一个缓冲区作为InputStream使用
StringBufferInputStream(在java1.1中已经弃用了)：把一个String对象作为InputStream，底层实现使用StringBuffer
FileInputStream：把一个文件作为InputStream，实现对文件的读取操作(文件名、文件、FileDescriptor对象)
PipedInputStream：实现了pipe的概念，主要在线程中使用（作为多进程中的数据源）
SequenceInputStream：把多个InputStream合并为一个InputStream
以字节（Byte）为导向的输出流（OutputStream系列），可以与ＦilterOutputStream对象相连以提供有用接口：
ByteArrayOutputStream：在内存中创建缓冲区，把信息存入内存中的一个缓冲区中，缓冲区初始化尺寸（可选）
FileOutputStream：把信息存入文件中（文件名、文件、FileDescriptor）
PipedOutputStream：实现了pipe的概念，主要在线程中使用(指定用于多线程的数据的目的地)
三.与之对应的（Reader/Writer）系列：
Reader: 与InputStream相对应，适配器InputStreamReader
Writer: 与OutputStream相对应，适配器为OutputStreamWriter
FileReader： 与FileOutputStream相对应
FileWriter: 与FileOurputStream相对应
StringReader: 无相对应的类
StringWriter: 与ByteArrayInputStream相对应
CharArrayReader: 与ByteArrayOutputStream相对应
CharArrayWriter: 与ByteArrayOutputStream相对应
PipedReader: 与PipedInputStream相对应
PipedWriter: 与PipedOutputStream相对应
四.两种不限导向的stream之间的转换(使用适配器类)
InputStreamReader和OutputStreamWriter：把一个以字节为导向的stream转换成一个以字符为导向的stream。
InputStreamReader 是字节流通向字符流的桥梁：它使用指定的 charset 读取字节并将其解码为字符。它使用的字符集可以由名称指定或显式给定，或者可以接受平台默认的字符集
OutputStreamWriter 是字符流通向字节流的桥梁：可使用指定的 charset 将要写入流中的字符编码成字节。它使用的字符集可以由名称指定或显式给定，否则将接受平台默认的字符集
五.通过FilterInputStream从InputStream读取数据：
DataInputStream：从stream中读取基本类型（int、char，long等）数据。
BufferedInputStream：使用缓冲区 ，使用它可以防止每次读取都得进行实际的读操作
LineNumberInputStream：会记录input stream内的行数，然后可调用getLineNumber()和setLineNumber(int)
PushbackInputStream：很少用到，一般用于编译器开发
通过FilterOutputStream向OutputStream写入：
DataIOutputStream：可以按照移植方式往stream中输出基本类型（int、char，ｌｏｎｇ等）数据。
BufferedOutputStream：使用缓冲区 ，使用它可避免每次发送数据都进行实际的写操作
PrintStream：产生格式化输出 ，其中DataOutputStream处理数据的存储，PrintStream处理显示
六.更改流的行为
尽管BufferedOutputStream是FilterOutputStream的子类，但是BufferedWriter并不是FilterWriter的子类，（FilterWriter是抽象类，没有任何子类）
没有与DataInputStream对应的类。除非在要使用readLine()时改用BufferedReader，否则使用DataInputStream
BufferedReader：与BufferedInputStream对应
LineNumberReader：与LineNumberInputStream对应
PushBackReader：与PushbackInputStream对应
BufferedWrite：与BufferedOutStream对应
PrintWrite：与 PrintStream对应
七.自我独立的类:RandomAccessFile
这个类适用于有大小已知的记录组成的文件，RandomAccessFile除了实现了DataInput和DataOutput接口（DataInputStream和DataOutputStream也实现了这两个接口）之外，这个类是个完全独立的类，它拥有和别的I/O类型本质不同的行为，可以在一个文件内向前和向后移动，直接从Object派生而来。
可通过RandomAccessFile对象完成对文件的读写操作
在产生一个对象时，可指明要打开的文件的性质：r，只读；w，只写；rw可读写
可以直接跳到文件中指定的位置

RandomAccessFile的大部分功能（不是全部）有nio存储映射文件所取代

java.io提供了一个File类，这是类很容易让人产生误会，它表示的是一个文件名或者目录名，而不是文件本身，所以通过这个类没法对文件里面的数据进行操作。File类提供了一序列对文件操作的功能：删除文件，创建目录，查询文件大小等等。

Java I/O 的相关方法如下所述：
同步并阻塞 (I/O 方法)：服务器实现模式为一个连接启动一个线程，每个线程亲自处理 I/O 并且一直等待 I/O 直到完成，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理。但是如果这个连接不做任何事情就会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善这个缺点。I/O 的局限是它是面向流的、阻塞式的、串行的一个过程。对每一个客户端的 Socket 连接 I/O 都需要一个线程来处理，而且在此期间，这个线程一直被占用，直到 Socket 关闭。在这期间，TCP 的连接、数据的读取、数据的返回都是被阻塞的。也就是说这期间大量浪费了 CPU 的时间片和线程占用的内存资源。此外，每建立一个 Socket 连接时，同时创建一个新线程对该 Socket 进行单独通信 (采用阻塞的方式通信)。这种方式具有很快的响应速度，并且控制起来也很简单。在连接数较少的时候非常有效，但是如果对每一个连接都产生一个线程无疑是对系统资源的一种浪费，如果连接数较多将会出现资源不足的情况；
同步非阻塞 (NIO 方法)：服务器实现模式为一个请求启动一个线程，每个线程亲自处理 I/O，但是另外的线程轮询检查是否 I/O 准备完毕，不必等待 I/O 完成，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有 I/O 请求时才启动一个线程进行处理。NIO 则是面向缓冲区，非阻塞式的，基于选择器的，用一个线程来轮询监控多个数据传输通道，哪个通道准备好了 (即有一组可以处理的数据) 就处理哪个通道。服务器端保存一个 Socket 连接列表，然后对这个列表进行轮询，如果发现某个 Socket 端口上有数据可读时，则调用该 Socket 连接的相应读操作；如果发现某个 Socket 端口上有数据可写时，则调用该 Socket 连接的相应写操作；如果某个端口的 Socket 连接已经中断，则调用相应的析构方法关闭该端口。这样能充分利用服务器资源，效率得到大幅度提高；
异步非阻塞 (AIO 方法，JDK7 发布)：服务器实现模式为一个有效请求启动一个线程，客户端的 I/O 请求都是由操作系统先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理，每个线程不必亲自处理 I/O，而是委派操作系统来处理，并且也不需要等待 I/O 完成，如果完成了操作系统会另行通知的。该模式采用了 Linux 的 epoll 模型。

Java NIO

NIO 是基于块 (Block) 的，它以块为基本单位处理数据。在 NIO 中，最为重要的两个组件是缓冲 Buffer 和通道 Channel。缓冲是一块连续的内存块，是 NIO 读写数据的中转地。通道标识缓冲数据的源头或者目的地，它用于向缓冲读取或者写入数据，是访问缓冲的接口。Channel 是一个双向通道，即可读，也可写。Stream 是单向的。应用程序不能直接对 Channel 进行读写操作，而必须通过 Buffer 来进行，即 Channel 是通过 Buffer 来读写数据的。
使用 Buffer 读写数据一般遵循以下四个步骤：
写入数据到 Buffer；
调用 flip() 方法；
从 Buffer 中读取数据；
调用 clear() 方法或者 compact() 方法。
当向 Buffer 写入数据时，Buffer 会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过 flip() 方法将 Buffer 从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到 Buffer 的所有数据。
一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用 clear() 或 compact() 方法。clear() 方法会清空整个缓冲区。compact() 方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

java NIO和IO的区别

IO                NIO面向流            面向缓冲阻塞IO            非阻塞IO无                选择器

（1）面向流与面向缓冲

Java NIO和IO之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。 Java NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

（2）阻塞与非阻塞IO
Java IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

（3）选择器（Selectors）
Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道，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。