八股记录——IO

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一、IO流简介

数据输入到计算机内存的过程即输入，反之输出到外部存储（比如数据库，文件，远程主机）的过程即输出

IO 流在 Java 中分为输入流和输出流，而根据数据的处理方式又分为字节流和字符流。

Java IO 流的 40 多个类都是从如下 4 个抽象类基类中派生出来的。

  • InputStream/Reader: 所有的输入流的基类，前者是字节输入流，后者是字符输入流。
  • OutputStream/Writer: 所有输出流的基类，前者是字节输出流，后者是字符输出流。

二、字节流

1、InputStream 常用方法

  • read() ：返回输入流中下一个字节的数据。
  • read(byte b[ ]) : 从输入流中读取一些字节存储到数组 b 中。读取的字节数最多等于 b.length，返回读取的字节数。这个方法等价于 read(b, 0, b.length)。
  • read(byte b[], int off, int len) ：在read(byte b[ ]) 方法的基础上增加了 off 参数（偏移量）和 len参数（要读取的最大字节数）。
  • skip(long n) ：忽略输入流中的 n 个字节 ,返回实际忽略的字节数。
  • available() ：返回输入流中可以读取的字节数。
  • close() ：关闭输入流释放相关的系统资源。

从 Java 9 开始，InputStream 新增加了多个实用的方法：

  • readAllBytes() ：读取输入流中的所有字节，返回字节数组。
  • readNBytes(byte[] b, int off, int len) ：阻塞直到读取 len 个字节。
  • transferTo(OutputStream out) ： 将所有字节从一个输入流传递到一个输出流。

FileInputStream 是一个比较常用的字节输入流对象，可直接指定文件路径，可以直接读取单字节数据，也可以读取至字节数组中。一般我们是不会直接单独使用 FileInputStream ，通常会配合 BufferedInputStream（字节缓冲输入流，后文会讲到）来使用。

2、OutputStream 常用方法

  • write(int b) ：将特定字节写入输出流。
  • write(byte b[ ]) : 将数组b 写入到输出流，等价于 write(b, 0, b.length) 。
  • write(byte[] b, int off, int len) : 在write(byte b[ ]) 方法的基础上增加了 off 参数（偏移量）和 len 参数（要读取的最大字节数）。
  • flush() ：刷新此输出流并强制写出所有缓冲的输出字节。
  • close() ：关闭输出流释放相关的系统资源。

三、字符流

1、为什么 I/O 流操作要分为字节流操作和字符流操作

  • 字符流是由 Java 虚拟机将字节转换得到的，这个过程还算是比较耗时。
  • 如果我们不知道编码类型就很容易出现乱码问题。

字符流默认采用的是 Unicode 编码，我们可以通过构造方法自定义编码。顺便分享一下之前遇到的笔试题：

2、常用字符编码所占字节数？

  • utf8 :英文占 1 字节，中文占 3 字节
  • unicode：任何字符都占 2 个字节
  • gbk：英文占 1 字节，中文占 2 字节。

3、Reader 常用方法

  • ead() : 从输入流读取一个字符。
  • read(char[] cbuf) : 从输入流中读取一些字符，并将它们存储到字符数组 cbuf中，等价于 read(cbuf, 0, cbuf.length)
  • read(char[] cbuf, int off, int len)
  • skip(long n) ：忽略输入流中的 n 个字符 ,返回实际忽略的字符数。
  • close() : 关闭输入流并释放相关的系统资源。

4、Writer常用方法

  • write(int c) : 写入单个字符。
  • write(char[] cbuf) ：写入字符数组 cbuf，等价于write(cbuf, 0, cbuf.length)。
  • write(char[] cbuf, int off, int len) ：
  • write(String str) ：写入字符串，等价于 write(str, 0, str.length()) 。
  • write(String str, int off, int len) ：在write(String str) 方法的基础上增加了 off 参数（偏移量）和 len 参数（要读取的最大字符数）。
  • append(CharSequence csq) ：将指定的字符序列附加到指定的 Writer 对象并返回该 Writer 对象。
  • append(char c) ：将指定的字符附加到指定的 Writer 对象并返回该 Writer 对象。
  • flush() ：刷新此输出流并强制写出所有缓冲的输出字符。
  • close():关闭输出流释放相关的系统资源。

四、字节缓冲流

1、BufferedInputStream（字节缓冲输入流）

BufferedInputStream 从源头（通常是文件）读取数据（字节信息）到内存的过程中不会一个字节一个字节的读取，而是会先将读取到的字节存放在缓存区，并从内部缓冲区中单独读取字节。这样大幅减少了 IO 次数，提高了读取效率。

BufferedInputStream 内部维护了一个缓冲区，这个缓冲区实际就是一个字节数组

2、BufferedOutputStream（字节缓冲输出流）

同样是先将要写入的字节存放在缓存区，并从内部缓冲区中单独写入字节。这样大幅减少了 IO 次数，提高了读取效率

类似于 BufferedInputStream ，BufferedOutputStream 内部也维护了一个缓冲区，并且，这个缓存区的大小也是 8192 字节。

五、字符缓冲流

BufferedReader （字符缓冲输入流）和 BufferedWriter（字符缓冲输出流）类似于 BufferedInputStream（字节缓冲输入流）和BufferedOutputStream（字节缓冲输入流），内部都维护了一个字节数组作为缓冲区。不过，前者主要是用来操作字符信息。

六、打印流

System.out 实际是用于获取一个 PrintStream 对象，print方法实际调用的是 PrintStream 对象的 write 方法。

PrintStream 属于字节打印流，与之对应的是 PrintWriter （字符打印流）。PrintStream 是 OutputStream 的子类，PrintWriter 是 Writer 的子类。

七、随机访问流

持随意跳转到文件的任意位置进行读写的 RandomAccessFile 。

RandomAccessFile 比较常见的一个应用就是实现大文件的 断点续传 。何谓断点续传？简单来说就是上传文件中途暂停或失败（比如遇到网络问题）之后，不需要重新上传，只需要上传那些未成功上传的文件分片即可。分片（先将文件切分成多个文件分片）上传是断点续传的基础。

八、Java IO设计模式总结——重要！！！

1、装饰器模式

核心：在不改变原有对象的情况下拓展其功能。装饰者设计模式主要是利用多态，将子类对象作为参数传递，达到装饰的效果。如果不采用装饰者模式，而是采用继承结构，会造成类爆炸，假如有n种属性，那所有的搭配种类就有 2n 个

装饰器模式通过组合替代继承来扩展原始类的功能，在一些继承关系比较复杂的场景（IO 这一场景各种类的继承关系就比较复杂）更加实用。

FilterInputStream （对应输入流）和FilterOutputStream（对应输出流） 是装饰器模式的核心，分别用于增强 InputStream 和OutputStream子类对象的功能。

常见的BufferedInputStream(字节缓冲输入流)、DataInputStream 等等都是FilterInputStream 的子类，BufferedOutputStream（字节缓冲输出流）、DataOutputStream等等都是FilterOutputStream的子类。

装饰器模式很重要的一个特征，那就是：可以对原始类嵌套使用多个装饰器。

2、适配器模式

适配器（Adapter Pattern）模式 主要用于接口互不兼容的类的协调工作，你可以将其联想到我们日常经常使用的电源适配器。

  • 适配者(Adaptee) ：被适配的对象或者类。
  • 适配器(Adapter) ：作用于适配者的对象或者类。例如：InputStreamReader 和 OutputStreamWriter

适配器分为对象适配器和类适配器。

  • 类适配器：使用继承关系来实现
  • 对象适配器：使用组合关系来实现。

IO 流中的字符流和字节流的接口不同，它们之间可以协调工作就是基于适配器模式来做的，更准确点来说是对象适配器。

InputStream 和 OutputStream 的子类是被适配者， InputStreamReader 和 OutputStreamWriter是适配器。

3、适配器模式和装饰器模式有什么区别呢？

装饰器模式：

  • 更侧重于动态地增强原始类的功能
  • 装饰器类需要跟原始类继承相同的抽象类或者实现相同的接口。
  • 支持对原始类嵌套使用多个装饰器。

适配器模式

  • 更侧重于让接口不兼容而不能交互的类可以一起工作
  • 当我们调用适配器对应的方法时，适配器内部会调用适配者类或者和适配类相关的类的方法，这个过程透明的。适
  • 配器和适配者两者不需要继承相同的抽象类或者实现相同的接口。

4、工厂模式

在工厂模式中，我们在创建对象时不会对客户端暴露创建逻辑，并且是通过使用一个共同的接口来指向新创建的对象。

  • 意图：定义一个创建对象的接口，让其子类自己决定实例化哪一个工厂类，工厂模式使其创建过程延迟到子类进行。

  • 主要解决：主要解决接口选择的问题。

  • 何时使用：我们明确地计划不同条件下创建不同实例时。

  • 如何解决：让其子类实现工厂接口，返回的也是一个抽象的产品。

  • 关键代码：创建过程在其子类执行。

作用

  • 首先工厂模式是为了解耦：把对象的创建和使用的过程分开。就是Class A 想调用 Class B ，那么A只是调用B的方法，而至于B的实例化，就交给工厂类。
  • 其次，工厂模式可以降低代码重复。如果创建对象B的过程都很复杂，需要一定的代码量，而且很多地方都要用到，那么就会有很多的重复代码。我们可以这些创建对象B的代码放到工厂里统一管理。既减少了重复代码，也方便以后对B的创建过程的修改维护。
  • 另外，因为工厂管理了对象的创建逻辑，使用者并不需要知道具体的创建过程，只管使用即可，减少了使用者因为创建逻辑导致的错误。

使用环境：不仅限于以下场景）：

  • 对象的创建过程/实例化准备工作很复杂，需要初始化很多参数、查询数据库等。
  • 类本身有好多子类，这些类的创建过程在业务中容易发生改变，或者对类的调用容易发生改变。

工厂模式用于创建对象，NIO 中大量用到了工厂模式，比如 Files 类的 newInputStream 方法用于创建 InputStream 对象（静态工厂）、 Paths 类的 get 方法创建 Path 对象（静态工厂）、ZipFileSystem 类（sun.nio包下的类，属于 java.nio 相关的一些内部实现）的 getPath 的方法创建 Path 对象（简单工厂）。

5、观察者模式

当对象间存在一对多关系时，则使用观察者模式（Observer Pattern）。比如，当一个对象被修改时，则会自动通知依赖它的对象。观察者模式属于行为型模式。

意图：定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。

主要解决：一个对象状态改变给其他对象通知的问题，而且要考虑到易用和低耦合，保证高度的协作。

何时使用：一个对象（目标对象）的状态发生改变，所有的依赖对象（观察者对象）都将得到通知，进行广播通知。

如何解决：使用面向对象技术，可以将这种依赖关系弱化。

关键代码：在抽象类里有一个 ArrayList 存放观察者们

使用场景

NIO 中的文件目录监听服务使用到了观察者模式。

NIO 中的文件目录监听服务基于 WatchService 接口和 Watchable 接口。WatchService 属于观察者，Watchable属于被观察者。

Watchable 接口定义了一个用于将对象注册到 WatchService（监控服务） 并绑定监听事件的方法 register 。

WatchService 用于监听文件目录的变化，同一个 WatchService 对象能够监听多个文件目录。

WatchService 内部是通过一个 daemon thread（守护线程）采用定期轮询的方式来检测文件的变化

九、Java IO模型详解

1、基本概念

从计算机结构的视角来看的话， I/O 描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程。

**从应用程序的角度来解读一下 I/O。用户进程想要执行 IO 操作的话，必须通过 **系统调用来间接访问内核空间

根据大学里学到的操作系统相关的知识：为了保证操作系统的稳定性和安全性，一个进程的地址空间划分为 用户空间（User space） 和 内核空间（Kernel space ） 。

当应用程序发起 I/O 调用后，会经历两个步骤：

  1. 内核等待 I/O 设备准备好数据
  2. 内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。

2、常用IO模型

  • 同步阻塞 I/O
  • 同步非阻塞 I/O
  • I/O 多路复用
  • 信号驱动 I/O
  • 异步 I/O

3、Java中常见的3种IO模型

（1）BIO (Blocking I/O)——同步阻塞 IO 模型 。

应用程序发起 read 调用后，会一直阻塞，直到内核把数据拷贝到用户空间。

（2）NIO (Non-blocking/New I/O)

它是支持面向缓冲的，基于通道的 I/O 操作方法。 对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用 NIO 。Java 中的 NIO 可以看作是 I/O 多路复用模型。也有很多人认为，Java 中的 NIO 属于同步非阻塞 IO 模型。

同步非阻塞 IO 模型：

应用程序会一直发起 read 调用，等待数据从内核空间拷贝到用户空间的这段时间里，线程依然是阻塞的，直到在内核把数据拷贝到用户空间。

问题在于：应用程序不断进行 I/O 系统调用轮询数据是否已经准备好的过程是十分消耗 CPU 资源的。

I/O 多路复用模型：

线程首先发起 select 调用，询问内核数据是否准备就绪，等内核把数据准备好了，用户线程再发起 read 调用。read 调用的过程（数据从内核空间 -> 用户空间）还是阻塞的。

Java 中的 NIO ，有一个非常重要的选择器 ( Selector ) 的概念，也可以被称为 多路复用器。通过它，只需要一个线程便可以管理多个客户端连接。当客户端数据到了之后，才会为其服务。

（3）AIO——（Asynchronous I/O)

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。

总结：JAVA中的三种IO模型：