Java进阶——IO流核心模块与基本原理

Java
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2023-07-08
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一、 IO流 与系统

IO技术在JDK中算是极其复杂的模块，其复杂的一个关键原因就是IO操作和系统内核的关联性，另外网络编程，文件管理都依赖IO技术，而且都是编程的难点，想要整体理解IO流，先从 Linux 操作系统开始。

Linux空间隔离

Linux使用是区分用户的，这个是基础常识，其底层也区分用户和内核两个模块：

  • User space：用户空间
  • Kernel space：内核空间

常识用户空间的权限相对内核空间操作权限弱很多，这就涉及到用户与内核两个模块间的交互，此时部署在服务上的应用如果需要请求系统资源，则在交互上更为复杂：

用户空间本身无法直接向系统发布调度指令，必须通过内核，对于内核中数据的操作，也是需要先拷贝到用户空间，这种隔离机制可以有效的保护系统的安全性和稳定性。

参数查看

可以通过Top命令动态查看各项数据分析，进程占用资源的状况：

  • us ：用户空间占用CPU的百分比;
  • sy ：内核空间占用CPU的百分比；
  • id ：空闲进程占用CPU的百分比；
  • wa ： IO 等待占用CPU的百分比；

对 wa 指标，在大规模文件任务流程里是监控的核心项之一。

IO协作流程

此时再看上面图【1】的流程，当应用端发起IO操作的请求时，请求沿着链路上的各个节点流转，有两个核心概念：

  • 节点交互模式：同步与异步；
  • IO数据操作：阻塞与非阻塞；

这里就是文件流中常说的：【同步/异步】IO,【阻塞/非阻塞】IO，下面看细节。

二、IO模型分析

1、同步阻塞

用户线程与内核的交互方式，应用端请求对应一个线程处理，整个过程中accept(接收)和read(读取)方法都会阻塞直至整个动作完成：

在常规 CS架构 模式中，这是一次IO操作的基本过程，该方式如果在高并发的场景下，客户端的请求响应会存在严重的性能问题，并且占用过多资源。

2、同步非阻塞

在同步阻塞IO的基础上进行优化，当前 线程 不会一直等待数据就绪直到完成复制：

在线程请求后会立即返回，并不断轮询直至拿到数据，才会停止轮询，这种模式的缺陷也是显而易见的，如果数据准备好，在通知线程完成后续动作，这样就可以省掉很多中间交互。

3、异步通知模式

在异步模式下，彻底摒弃阻塞机制，过程分段进行交互，这与常规的第三方对接模式很相似，本地服务在请求第三方服务时，如果请求过程耗时很大，会异步执行，第三方第一次 回调 ，确认请求可以被执行；第二次回调则是推送处理结果，这种思想在处理复杂问题时，可以很大程度的提高性能，节省资源：

异步模式对于性能的提升是巨大的，当然其相应的处理机制也更复杂，程序的迭代和优化是无止境的，在NIO模式中再次对IO流模式进行优化。

三、 File 文件类

1、基础描述

File类作为文件和目录路径名的抽象表示，用来获取磁盘文件的相关元数据信息，例如：文件名称、大小、修改时间、权限判断等。

注意：File并不操作文件承载的数据内容，文件内容称为数据，文件自身信息称为元数据。 

 public class File {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //、读取指定文件
        File speFile = new File(IoParam.BASE_PATH+"fileio-.text") ;
        if (!speFile.exists()){
            boolean creFlag = speFile.createNewFile() ;
            System.out.println("创建："+speFile.getName()+"; 结果："+creFlag);
        }

        //、读取指定位置
        File dirFile = new File(IoParam.BASE_PATH) ;
        // 判断是否目录
        boolean dirFlag = dirFile.isDirectory() ;
        if (dirFlag){
            File[] dirFiles = dirFile.listFiles() ;
            printFileArr(dirFiles);
        }

        //、删除指定文件
        if (speFile.exists()){
            boolean delFlag = speFile.delete() ;
            System.out.println("删除："+speFile.getName()+"; 结果："+delFlag);
        }
    }
    private static void printFileArr (File[] fileArr){
        if (fileArr != null && fileArr.length>){
            for (File file : fileArr) {
                printFileInfo(file) ;
            }
        }
    }
    private static void printFileInfo (File file) {
        System.out.println("名称："+file.getName());
        System.out.println("长度："+file.length());
        System.out.println("路径："+file.getPath());
        System.out.println("文件判断："+file.isFile());
        System.out.println("目录判断："+file.isDirectory());
        System.out.println("最后修改："+new Date(file.lastModified()));
        System.out.println();
    }
}

上述案例使用了File类中的基本构造和常用方法（读取、判断、创建、删除）等，JDK源码在不断地更新迭代，通过类的构造器、方法、注释等去判断类具有的基本功能，是作为开发人员的必备能力。

在File文件类中缺乏两个关键信息描述： 类型和编码 ，如果经常开发文件模块的需求，就知道这是两个极其复杂的点，很容易出现问题，下面站在实际开发的角度看看如何处理。

2、文件业务场景

如图所示，在常规的文件流任务中，会涉及【文件、流、数据】三种基本形式的转换：

基本过程描述：

  • 源文件生成，推送文件中心；
  • 通知业务使用节点获取文件；
  • 业务节点进行逻辑处理；

很显然的一个问题，任何节点都无法适配所有文件处理策略，比如类型与编码，面对复杂场景下的问题， 规则约束 是常用的解决策略，即在约定规则之内的事情才处理。

上面流程中， 源文件 节点通知业务节点时的数据主体描述： 

 public class BizFile {
    /**
     * 文件任务批次号
     */    private String taskId ;
    /**
     * 是否压缩
     */    private Boolean zipFlag ;
    /**
     * 文件地址
     */    private String fileUrl ;
    /**
     * 文件类型
     */    private String fileType ;
    /**
     * 文件编码
     */    private String fileCode ;
    /**
     * 业务关联：数据库
     */    private String bizDataBase ;
    /**
     * 业务关联：数据表
     */    private String bizTableName ;
}

把整个过程当做一个任务进行封装，即：任务批次、文件信息、业务库表路由等，当然这些信息也可以直接标记在文件命名的策略上，处理的手段类似： 

 /**
 * 基于约定策略读取信息
 */public class File {
    public static void main(String[] args) {
        BizFile bizFile = new BizFile("IN",Boolean.FALSE, IoParam.BASE_PATH,
                " csv ","utf8","model","score");
        bizFileInfo(bizFile) ;
        /*
         * 业务性校验
         */        File file = new File(bizFile.getFileUrl());
        if (!file.getName().endsWith(bizFile.getFileType())){
            System.out.println(file.getName()+"：描述错误...");
        }
    }
    private static void bizFileInfo (BizFile bizFile){
        logInfo("任务ID",bizFile.getTaskId());
        logInfo("是否解压",bizFile.getZipFlag());
        logInfo("文件地址",bizFile.getFileUrl());
        logInfo("文件类型",bizFile.getFileType());
        logInfo("文件编码",bizFile.getFileCode());
        logInfo("业务库",bizFile.getBizDataBase());
        logInfo("业务表",bizFile.getBizTableName());
    }
}

基于主体描述的信息，也可以转化到命名规则上： 命名策略：编号_压缩_Excel_编码_库_表 ，这样一来在业务处理时，不符合约定的文件直接排除掉，降低文件异常导致的数据问题。

四、基础流模式

1、整体概述

IO流向

基本编码逻辑： 源文件->输入流->逻辑处理->输出流->目标文件 ；

基于不同的角度看，流可以被划分很多模式：

  • 流动方向：输入流、输出流；
  • 流数据类型：字节流、字符流；

IO流的模式有很多种，相应的API设计也很复杂，通常复杂的API要把握住核心接口与常用的实现类和原理。

基础API

  • 字节流：InputStream输入、OutputStream输出；数据传输的基本单位是字节；
  • read()：输入流中读取数据的下一个字节；
  • read(byte b[])：读数据缓存到字节数组；
  • write(int b)：指定字节写入输出流；
  • write(byte b[])：数组字节写入输出流；
  • 字符流：Reader读取、Writer写出；数据传输的基本单位是字符；
  • read()：读取一个单字符；
  • read(char cbuf[])：读取到字符数组；
  • write(int c)：写一个指定字符；
  • write(char cbuf[])：写一个字符数组；

缓冲模式

IO流常规读写模式，即读取到数据然后写出，还有一种缓冲模式，即数据先加载到缓冲数组，在读取的时候判断是否要再次填充缓冲区：

缓冲模式的优点十分明显，保证读写过程的高效率，并且与数据填充过程隔离执行，在BufferedInputStream、BufferedReader类中是对缓冲逻辑的具体实现。

2、字节流

API关系图：

字节流基础API： 

 public class Io byte 01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 源文件 目标文件
        File source = new File(IoParam.BASE_PATH+"fileio-.png") ;
        File target = new File(IoParam.BASE_PATH+"copy-"+source.getName()) ;
        // 输入流 输出流
         InputStream  inStream = new FileInputStream(source) ;
         Output Stream outStream = new FileOutputStream(target) ;
        // 读入 写出
        byte[] byteArr = new byte[];
        int readSign ;
        while ((readSign=inStream.read(byteArr)) != -){
            outStream.write(byteArr);
        }
        // 关闭输入、输出流
        outStream.close();
        inStream.close();
    }
}

字节流缓冲API： 

 public class IoByte {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 源文件 目标文件
        File source = new File(IoParam.BASE_PATH+"fileio-.png") ;
        File target = new File(IoParam.BASE_PATH+"backup-"+source.getName()) ;
        // 缓冲：输入流 输出流
        InputStream bufInStream = new BufferedInputStream(new FileInputStream(source));
        OutputStream bufOutStream = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(target));
        // 读入 写出
        int readSign ;
        while ((readSign=bufInStream.read()) != -){
            bufOutStream.write(readSign);
        }
        // 关闭输入、输出流
        bufOutStream.close();
        bufInStream.close();
    }
}

字节流应用场景：数据是文件本身，例如图片，视频，音频等。

3、字符流

API关系图：

字符流基础API： 

 public class IoChar {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 读文本 写文本
        File readerFile = new File(IoParam.BASE_PATH+"io-text.txt") ;
        File writerFile = new File(IoParam.BASE_PATH+"copy-"+readerFile.getName()) ;
        // 字符输入输出流
        Reader reader = new FileReader(readerFile) ;
        Writer writer = new FileWriter(writerFile) ;
        // 字符读入和写出
        int readSign ;
        while ((readSign = reader.read()) != -){
            writer.write(readSign);
        }
        writer.flush();
        // 关闭流
        writer.close();
        reader.close();
    }
}

字符流缓冲API： 

 public class IoChar {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 读文本 写文本
        File readerFile = new File(IoParam.BASE_PATH+"io-text.txt") ;
        File writerFile = new File(IoParam.BASE_PATH+"line-"+readerFile.getName()) ;
        // 缓冲字符输入输出流
        BufferedReader bufReader = new BufferedReader(new FileReader(readerFile)) ;
         BufferedWriter  bufWriter = new BufferedWriter(new FileWriter(writerFile)) ;
        // 字符读入和写出
        String line;
        while ((line = bufReader.readLine()) != null){
            bufWriter.write(line);
            bufWriter.newLine();
        }
        bufWriter.flush();
        // 关闭流
        bufWriter.close();
        bufReader.close();
    }
}

字符流应用场景：文件作为数据的载体，例如Excel、CSV、TXT等。

4、编码解码

  • 编码：字符转换为字节；
  • 解码：字节转换为字符； 
 public class EnDeCode {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String var = "IO流" ;
        // 编码
        byte[] enVar = var.getBytes(StandardCharsets.UTF_) ;
        for (byte encode:enVar){
            System.out.println(encode);
        }
        // 解码
        String deVar = new String(enVar,StandardCharsets.UTF_) ;
        System.out.println(deVar);
        // 乱码
        String messyVar = new String(enVar,StandardCharsets.ISO__1) ;
        System.out.println(messyVar);
    }
}

乱码出现的根本原因，就是在编码与解码的两个阶段使用的编码类型不同。

5、 序列化

  • 序列化：对象转换为流的过程；
  • 反序列化：流转换为对象的过程； 
 public class SerEntity implements Serializable {
    private  Integer  id ;
    private String name ;
}
public class Seriali {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 序列化对象
        OutputStream outStream = new FileOutputStream("SerEntity.txt") ;
        ObjectOutputStream objOutStream = new ObjectOutputStream(outStream);
        objOutStream.writeObject(new SerEntity(,"Cicada"));
        objOutStream.close();
        // 反序列化对象
        InputStream inStream = new FileInputStream("SerEntity.txt");
        ObjectInputStream objInStream = new ObjectInputStream(inStream) ;
        SerEntity serEntity = (SerEntity) objInStream.readObject();
        System.out.println(serEntity);
        inStream.close();
    }
}

注意：引用类型的成员对象也必须是可被序列化的，否则会抛出 NotSerializableException 异常。

五、NIO模式

1、基础概念

NIO即（NonBlockingIO），面向数据块的处理机制，同步非阻塞模型，服务端的单个线程可以处理多个客户端请求，对IO流的处理速度有极高的提升，三大核心组件：

  • Buffer(缓冲区)：底层维护数组存储数据；
  • Channel(通道)：支持读写双向操作；
  • Selector(选择器)：提供Channel多注册和轮询能力；

API使用案例

 public class IoNew {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 源文件 目标文件
        File source = new File(IoParam.BASE_PATH+"fileio-.png") ;
        File target = new File(IoParam.BASE_PATH+"channel-"+source.getName()) ;

        // 输入字节流通道
         FileInputStream  inStream = new FileInputStream(source);
        FileChannel inChannel = inStream.getChannel();

        // 输出字节流通道
        FileOutputStream outStream = new FileOutputStream(target);
        FileChannel outChannel = outStream.getChannel();

        // 直接通道复制
        // outChannel.transferFrom(inChannel,, inChannel.size());

        // 缓冲区读写机制
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect();
        while (true) {
            // 读取通道中数据到缓冲区
            int in = inChannel.read(buffer);
            if (in == -) {
                break;
            }
            // 读写切换
            buffer.flip();
            // 写出缓冲区数据
            outChannel.write(buffer);
            // 清空缓冲区
            buffer.clear();
        }
        outChannel.close();
        inChannel.close();
    }
}

上述案例只是NIO最基础的文件复制能力，在网络通信中，NIO模式的发挥空间十分宽广。

2、网络通信

服务端的单线程可以处理多个客户端请求，通过轮询多路复用器查看是否有IO请求，这样一来，服务端的并发能力得到极大的提升，并且显著降低了资源的消耗。

API案例：服务端模拟

 public class SecServer {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //启动服务开启监听
            ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();
            socketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(".0.0.1", 8089));
            // 设置非阻塞，接受客户端
            socketChannel.configureBlocking(false);
            // 打开多路复用器
            Selector selector = Selector.open();
            // 服务端Socket注册到多路复用器，指定兴趣事件
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            // 多路复用器轮询
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect();
            while (selector.select() >){
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> selectionKeyIter = selectionKeys.iterator();
                while (selectionKeyIter.hasNext()){
                    SelectionKey selectionKey = selectionKeyIter.next() ;
                    selectionKeyIter.remove();
                    if(selectionKey.isAcceptable()) {
                        // 接受新的连接
                        SocketChannel client = socketChannel.accept();
                        // 设置读非阻塞
                        client.configureBlocking(false);
                        // 注册到多路复用器
                        client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    } else if (selectionKey.isReadable()) {
                        // 通道可读
                        SocketChannel client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                        int len = client.read(buffer);
                        if (len >){
                            buffer.flip();
                            byte[] readArr = new byte[buffer.limit()];
                            buffer.get(readArr);
                            System.out.println(client.socket().getPort() + "端口数据:" + new String(readArr));
                            buffer.clear();
                        }
                    }
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}

API案例：客户端模拟

 public class SecClient {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 连接服务端
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress(".0.0.1", 8089));
            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate();
            String conVar = "[hello-]";
            writeBuffer.put(conVar.getBytes());
            writeBuffer.flip();
            // 每隔S发送一次数据
            while (true) {
                Thread.sleep();
                writeBuffer.rewind();
                socketChannel.write(writeBuffer);
                writeBuffer.clear();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

SelectionKey绑定Selector和Chanel之间的关联，并且可以获取就绪状态下的Channel集合。

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