Java 输入输出 IO NIO AIO三兄弟对比分析对比分析

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2023-05-06
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  • 1、Java I/O发展史   
  • 2、Java IO
  • 2.1 简介
  • 2.2 基础概念
  • 2.2.1 输入流和输出流
  • 2.2.2 字节流和字符流
  • 2.2.3 缓冲流
  • 2.3 Java IO的使用
  • 2.3.1 文件读写
  • 3、Java NIO
  • 3.1 简介
  • 3.2 核心概念
  • 3.2.1 选择器（Selector）
  • 3.2.2 通道（Channel）
  • 3.2.3 缓冲区（Buffer）
  • 3.3 Java NIO的使用
  • 3.3.1 缓冲区操作
  • 3.3.2 通道操作
  • 4、Java AIO
  • 4.1 Java AIO的原理
  • 4.2 Java AIO的特点
  • 4.3 Java AIO的应用
  • 总结
  • 5、相关面试题

1、Java I/O发展史   


Java IO（Input/Output）是Java语言中用于读写数据的API，它提供了一系列类和接口，用于读取和写入各种类型的数据。下面是Java IO发展史的简要介绍：

  • JDK 1.0（1996年） 最初的Java IO只支持字节流（InputStream、OutputStream）和字符流（Reader、Writer）两种，基于阻塞式IO（BIO）模型。
  • JDK 1.1（1997年） JDK 1.1引入了NIO（New IO）包，支持了缓存区（Buffer）、通道（Channel）等概念，提供了更高效的IO操作方式，可以实现非阻塞式IO（NIO）模式。
  • JDK 1.4（2002年） JDK 1.4增加了NIO.2 API，也称为Java NIO with buffers，提供了更  强大的文件处理功能和更高效的IO操作。
  • JDK 7（2011年） JDK 7引入了NIO.2的改进版——NIO.2 with Completion Ports，也称为AIO（Asynchronous IO），支持异步IO方式，在处理大量并发请求时具有优势。

以下是三者之间的区别：

  • 阻塞IO（BIO） BIO是Java最初的IO模型，它采用阻塞方式进行数据读写操作。即当一个线程在执行IO操作时，若没有数据可读，则该线程会一直阻塞等待，直到有数据可读或者超时。BIO适合处理连接数比较小且固定的场景，但并发能力不足。
  • 非阻塞IO（NIO） NIO是Java 1.4引入的新的IO模型，它采用了多路复用器（Selector）机制，通过少量线程同时管理多个通道，实现了单线程同时处理多个请求的效果。NIO具有高并发性、高吞吐量和更高的可靠性，适合处理连接数多且连接时间较短的场景。
  • 异步IO（AIO） AIO是Java 1.7开始支持的IO模型，它采用事件驱动的方式进行数据读写操作，当数据准备好后，在回调函数中进行处理。与NIO不同，AIO的读写操作是异步的，不需要通过轮询方式去检查数据是否准备好。AIO适合处理连接数多、连接时间长且有较多读写操作的场景。

2、Java IO

2.1 简介

在Java编程中，IO（Input/Output）操作是非常常见的操作，它涉及到文件读写、网络通信等方面。Java提供了各种类来支持这些操作。本文将从IO的基础知识讲起，逐步深入，介绍Java IO的各个方面。

2.2 基础概念

2.2.1 输入流和输出流

在Java中，输入流（InputStream）和输出流（OutputStream）是两个重要的抽象类。输入流表示输入数据的来源，可以是文件、网络连接、管道等；输出流表示输出数据的去向，可以是文件、网络连接、管道等。输入流和输出流的使用方式是相似的，都是通过创建流对象，然后使用相应的方法接口进行读写操作。

2.2.2 字节流和字符流

Java中的IO操作还可以分为字节流和字符流两种。字节流以字节（byte）为单位进行操作，适用于处理二进制数据，例如图像、音频等；而字符流以字符（char）为单位进行操作，适用于处理文本数据，例如文本文件等。Java中，字节流主要由InputStream和OutputStream类以及其子类实现，而字符流主要由Reader和Writer类以及其子类实现。

2.2.3 缓冲流

在进行IO操作时，我们可能需要经常进行读写操作，而频繁的读写可能会导致性能问题。为了解决这个问题，Java提供了缓冲流（Buffered Stream）来提高IO操作的效率。缓冲流可以通过内部缓存区域来减少对底层资源的访问次数，从而提高数据读写的效率。

2.3 Java IO的使用

2.3.1 文件读写

Java中的文件读写是开发中最常见的操作之一。下面是一个读取文件内容并输出的示例：

    try (FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt");
         InputStreamReader isr = new InputStreamReader(fis);
         BufferedReader br = new BufferedReader(isr)) {
        String line;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            System.out.println(line);
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }

在这个示例中，我们使用了FileInputStream、InputStreamReader和BufferedReader等类来完成文件的读取。首先，我们通过FileInputStream类创建了一个输入流对象，并指定了要读取的文件名称；然后通过InputStreamReader将字节流转换为字符流，再通过BufferedReader实现按行读取文本内容。

类似地，在Java中进行文件写操作也非常简单，下面是一个写入文件的示例：

try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("test.txt");
     OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(fos);
     BufferedWriter bw = new BufferedWriter(osw)) {
    bw.write("Hello, world!");
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

在这个示例中，我们使用了FileOutputStream、OutputStreamWriter和BufferedWriter等类来完成文件的写入。首先，我们通过FileOutputStream类创建了一个输出流对象，并指定了要写入的文件名称；然后通过OutputStreamWriter将字节流转换为字符流，再通过BufferedWriter实现按行写入文本内容。

3、Java NIO

3.1 简介

Java NIO（New IO）是Java SE 1.4引入的一个新的IO API，它提供了比传统IO更高效、更灵活的IO操作。与传统IO相比，Java NIO的优势在于它支持非阻塞IO和选择器（Selector）等特性，能够更好地支持高并发、高吞吐量的应用场景。本文将从NIO的基础知识讲起，逐步深入，介绍Java NIO的各个方面。

3.2 核心概念

3.2.1 选择器（Selector）

选择器是Java NIO中的一个重要组件，它可以用于同时监控多个通道的读写事件，并在有事件发生时立即做出响应。选择器可以实现单线程监听多个通道的效果，从而提高系统吞吐量和运行效率。

3.2.2 通道（Channel）

通道是一个用于读写数据的对象，类似于Java IO中的流（Stream）。与流不同的是，通道可以进行非阻塞式的读写操作，并且可以同时进行读写操作。通道分为两种类型：FileChannel和SocketChannel，分别用于文件和网络

通信。

3.2.3 缓冲区（Buffer）

在Java NIO中，所有数据都是通过缓冲区对象进行传输的。缓冲区是一段连续的内存块，可以保存需要读写的数据。缓冲区对象包含了一些状态变量，例如容量（capacity）、限制（limit）、位置（position）等，用于控制数据的读写。

3.3 Java NIO的使用

3.3.1 缓冲区操作

Java NIO中的缓冲区操作主要包括数据读取和数据写入两种操作。下面是一个简单的缓冲区读取示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
try (FileChannel channel = new FileInputStream("test.txt").getChannel()) {
    int bytesRead = channel.read(buffer);
    while (bytesRead != -1) {
        buffer.flip();
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get());
        }
        buffer.clear();
        bytesRead = channel.read(buffer);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

在这个示例中，我们使用了FileChannel类和ByteBuffer类来完成文件的读取。首先，我们通过FileInputStream类创建了一个输入流对象，然后通过getChannel()方法获取到对应的通道对象；接着，我们创建了一个容量为1024字节的ByteBuffer对象，并调用read()方法从通道中读取数据，将读取到的数据保存在缓冲区中。读取完成后，我们通过flip()方法将缓冲区切换为读模式，并使用hasRemaining()和get()方法逐个读取数据；最后通过clear()方法清空缓冲区，准备进行下一轮读取。

Java NIO中的缓冲区写操作也非常类似，下面是一个简单的缓冲区写入示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, world!".getBytes());
try (FileChannel channel = new FileOutputStream("test.txt").getChannel()) {
    channel.write(buffer);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

在这个示例中，我们使用了FileChannel类和ByteBuffer类来完成文件的写入。首先，我们通过ByteBuffer.wrap()方法将字符串转换为ByteBuffer对象；然后，我们通过FileOutputStream类创建了一个输出流对象，再通过getChannel()方法获取到对应的通道对象；接着，我们调用write()方法将缓冲区中的数据写入通道中，完成文件写入操作。

3.3.2 通道操作

Java NIO中的通道（Channel）是用于进行数据传输的对象。通道可以连接到源或目标节点，用于读取和写入数据。与传统的Java IO不同，NIO中的通道可以实现非阻塞式地读写数据，从而提高了应用程序的性能和并发处理能力。

要使用通道进行读写操作，首先需要打开通道。Java NIO中有多种类型的通道，每种通道都提供了自己的打开方式。例如，要打开一个文件通道，可以通过FileInputStream或FileOutputStream对象获取对应的FileChannel对象，如下所示：

    FileChannel channel = new FileInputStream("file.txt").getChannel();

读取数据 一旦打开了通道，就可以开始读取数据。在NIO中，数据通过缓冲区进行传输。要读取数据，需要将数据存储在缓冲区中，然后从缓冲区中读取数据。以下是一个简单的读取操作示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 从通道中读取数据
int bytesRead = channel.read(buffer);
while (bytesRead != -1) {
    // 切换为读模式
    buffer.flip();
    // 读取缓冲区中的数据
    while (buffer.hasRemaining()) {
        System.out.print((char) buffer.get());
    }
    // 清空缓冲区
    buffer.clear();
    bytesRead = channel.read(buffer);
}

在这个示例中，我们首先创建了一个容量为1024字节的ByteBuffer对象，并使用channel.read()方法从文件通道中读取数据。读取到数据后，我们将ByteBuffer切换为读模式，再使用hasRemaining()和get()方法逐个读取缓冲区中的数据。

写入数据 要写入数据，也需要将数据存储在缓冲区中，然后将缓冲区中的数据写入到通道中。以下是一个简单的写入操作示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, world!".getBytes());
// 将数据写入通道
channel.write(buffer);

在这个示例中，我们首先使用ByteBuffer.wrap()方法将字符串转换为ByteBuffer对象，在通过channel.write()方法将ByteBuffer中的数据写入到通道中。

4、Java AIO

Java AIO（Asynchronous IO）是一种基于事件和回调的IO模型，相比Java BIO（Blocking IO）和Java NIO（Non-blocking IO），它具有更高的并发性、更高的吞吐量和更高的可靠性。本文将介绍Java AIO的原理、特点和应用。

4.1 Java AIO的原理

Java AIO采用异步IO方式进行数据读写操作，与Java NIO不同，它不需要通过轮询方式去检查数据是否准备好，而是由操作系统完成。当数据准备好后，操作系统会通知应用程序，并在回调函数中进行处理。

AIO使用了三个核心组件：AsynchronousChannel、CompletionHandler和

AsynchronousServerSocketChannel。其中，AsynchronousChannel是读/写数据的通道，CompletionHandler是I/O操作完成时的回调方法，AsynchronousServerSocketChannel是异步服务器端套接字通道，用于监听客户端的连接请求。

当数据准备好后，操作系统将通知应用程序，并在回调函数中执行I/O操作完成时的回调方法。这样就避免了线程阻塞等待I/O操作完成的情况，从而提高了程序的效率和并发处理能力。

4.2 Java AIO的特点

  • 高并发性：Java AIO采用异步IO方式进行数据读写操作，可以实现高并发处理能力。
  • 高吞吐量：Java AIO支持异步读写操作，可以同时处理多个请求，从而提高了数据读写的效率和吞吐量。
  • 高可靠性：由于Java AIO采用异步IO方式进行数据读写操作，可以避免线程阻塞等待I/O操作完成的情况，从而提高程序的可靠性。
  • 简单易用：Java AIO提供了简单易用的API，不需要编写复杂的代码就可以实现异步IO操作。

4.3 Java AIO的应用

Java AIO适用于需要大量并发连接，但每个连接却很少有数据交互的场景，例如基于消息的应用程序、远程过程调用（RPC）等。在这些应用场景中，AIO可以大幅度提高程序的性能和并发处理能力，从而满足用户对高吞吐量和低延迟的要求。

另外，Java AIO也可以用于开发高性能的网络服务器，例如聊天室服务器、在线游戏服务器等。由于AIO支持异步读取输入流和输出流，因此可以同时处理多个客户端请求，有效地提高了服务器的并发处理能力。

总结

Java AIO作为一种高性能、高并发的IO模型，具备很多优点，但也存在着一些缺点，如对小负载的连接，AIO的开销可能会导致性能下降。因此，在实际应用中，需要权衡各种因素，根据实际需求进行评估和选择。

5、相关面试题

1、什么是Java IO和NIO？

Java IO（Input/Output）是Java中传统的输入输出操作，使用字节流和字符流进行数据传输。

Java NIO（New Input/Output）是Java 1.4引入的新的输入输出API，它更加高效地处理数据。

2、什么是阻塞和非阻塞IO？

阻塞IO（Blocking IO）在进行IO操作时会一直等待，直到IO完成，期间无法进行其他操作。

非阻塞IO（Non-blocking IO）在进行IO操作时不会一直等待，而是立即返回结果，如果IO还没有完全完成，则可以继续做其他事情。

3、什么是缓冲区？有哪些类型的缓冲区？

缓冲区是一个用于存储数据的数组，在进行IO操作时需要通过缓冲区来进行读写数据。

Java的缓冲区分为字节缓冲区（ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer等）和直接缓冲区（DirectByteBuffer、DirectCharBuffer、DirectShortBuffer等）。

4、什么是通道（Channel）？

通道是NIO中用于进行数据传输的对象，它可以连接到源或目标节点，用于读取和写入数据。

5、什么是选择器（Selector）？

选择器是NIO中的一个对象，它可以通过轮询注册在其上的通道来检查它们是否有事件发生（如可读、可写等），从而避免了阻塞式IO中需要等待IO完成的问题。

6、Java IO和NIO之间有什么区别？

Java IO基于流的方式进行数据传输，而NIO基于缓冲区和通道进行数据传输。

Java IO是阻塞式的，而NIO可以采用阻塞或非阻塞模式。

Java IO对线程使用较多，每个IO操作都需要创建一个线程，而NIO可以使用单个线程处理多个IO操作。

7、什么是文件通道（FileChannel）？

文件通道是NIO中用于读取和写入文件的通道，它支持随机访问和内存映射文件等高级功能。

8、Java IO和NIO哪个更快？

在大量小数据量的情况下，Java IO可能更快，因为它可以通过缓冲区一次性读取所有数据。

在大量大块数据的情况下，NIO可能更快，因为它可以使用零拷贝技术直接将数据从磁盘读入内存，减少了数据复制的开销。

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