跳到主要内容

IO模型

IO基础知识​

字节流​

字节流用于处理二进制数据，如图像、音频等。常见的字节流类有：

  • InputStream: 用于读取字节数据的抽象类。常用的子类有：
    • FileInputStream: 从文件中读取字节数据。
    • ByteArrayInputStream: 从字节数组中读取数据。
    • DataInputStream: 允许以机器无关的方式读取基本数据类型。
  • OutputStream: 用于写入字节数据的抽象类。常用的子类有：
    • FileOutputStream: 将字节数据写入文件。
    • ByteArrayOutputStream: 将数据写入字节数组。
    • DataOutputStream: 允许以机器无关的方式写入基本数据类型。

字符流​

字符流用于处理字符数据，适合文本文件等数据。主要的字符流类有：

  • Reader: 用于读取字符数据的抽象类。常用的子类有：
    • FileReader: 从文件中读取字符数据。
    • BufferedReader: 提供缓冲机制，增加读取字符、数组和行的效率。
    • InputStreamReader: 将字节流转换为字符流。
  • Writer: 用于写入字符数据的抽象类。常用的子类有：
    • FileWriter: 将字符数据写入文件。
    • BufferedWriter: 提供缓冲机制，增加写入字符、数组和行的效率。
    • OutputStreamWriter: 将字符流转换为字节流。

字节流和字符流的主要区别

使用字节流: 如果要处理非文本数据或需要保持原始字节的准确性，比如处理二进制文件、图片、音频、视频等，或者在网络传输时需要处理字节数据而不涉及字符编码问题。

使用字符流: 如果要处理文本数据，特别是需要支持国际化的应用，字符流的编码转换功能使得处理不同语言的文本更加方便和安全。字符流在处理文本时还能自动进行字符编码解码，减少编码问题导致的数据丢失或错误。

字节缓冲流​

字节缓冲流在标准字节流的基础上增加了缓冲机制，用于提高I/O操作的效率。这些缓冲流类位于java.io包中。

  • BufferedInputStream: 提供缓冲功能的字节输入流。通过先将数据读入缓冲区来减少磁盘I/O操作的次数。
    • 例如：BufferedInputStream(InputStream in) 和 BufferedInputStream(InputStream in, int size)。
  • BufferedOutputStream: 提供缓冲功能的字节输出流。数据首先写入缓冲区，只有在缓冲区满或调用flush()时，数据才会写入底层的输出流。
    • 例如：BufferedOutputStream(OutputStream out) 和 BufferedOutputStream(OutputStream out, int size)。

字符缓冲流​

字符缓冲流类似于字节缓冲流，但它们处理的是字符数据。缓冲机制也适用于这些流，主要用于提高读写文本数据的效率。

  • BufferedReader: 提供缓冲功能的字符输入流。它支持一次读取一个字符、一个字符数组或一行文本。
    • 例如：BufferedReader(Reader in) 和 BufferedReader(Reader in, int size)。
  • BufferedWriter: 提供缓冲功能的字符输出流。字符数据先写入缓冲区，然后再批量写入底层输出流。
    • 例如：BufferedWriter(Writer out) 和 BufferedWriter(Writer out, int size)。

打印流​

打印流提供了一种方便的方式来格式化输出数据，支持自动刷新和无异常的打印操作。它们可以处理不同类型的数据，包括对象、文本、数值等。

  • PrintStream: 字节打印流，继承自OutputStream。它支持自动刷新和不抛出I/O异常的特性。常用于打印字节数据或文本数据，如标准输出（System.out）。
    • 例如：PrintStream(OutputStream out)。
  • PrintWriter: 字符打印流，继承自Writer。与PrintStream类似，但处理字符数据。它也支持自动刷新和无异常的打印操作。
    • 例如：PrintWriter(Writer out) 和 PrintWriter(OutputStream out)。

随机访问流​

随机访问流允许在文件的任意位置读取和写入数据。它既可以作为输入流，也可以作为输出流，是一个功能非常强大的流类。

  • RandomAccessFile

    : 既支持字节输入也支持字节输出的类。它允许以随机访问方式读取和写入文件内容，支持移动文件指针来指定读写位置。

    • 例如：RandomAccessFile(String name, String mode)，其中mode参数指定访问模式（如"r"只读，"rw"读写）。

设计模式​

1. 装饰者模式（Decorator Pattern）​

概念: 装饰者模式用于动态地为对象添加功能，而不改变其结构。在Java I/O中，装饰者模式被广泛用于创建不同的流，通过将流对象包装在其他流中，增强其功能。例如：

  • BufferedInputStream和BufferedOutputStream分别包装了InputStream和OutputStream，提供了缓冲功能以提高读取和写入效率。
  • DataInputStream和DataOutputStream包装了基础字节流，提供了读取和写入基本数据类型的功能。
InputStream in = new FileInputStream("file.txt");
InputStream bufferedIn = new BufferedInputStream(in);

2. 适配器模式（Adapter Pattern）​

概念: 适配器模式用于使接口不兼容的类能够一起工作。在Java I/O中，适配器模式经常用于字节流和字符流之间的转换。

示例:

  • InputStreamReader和OutputStreamWriter分别将字节流适配为字符流，使得字符流能够处理底层的字节数据。
Reader reader = new InputStreamReader(new FileInputStream("file.txt"), "UTF-8");
Writer writer = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("file.txt"), "UTF-8");

3. 工厂模式（Factory Pattern）​

概念: 工厂模式用于创建对象的接口，使得子类决定实例化哪个类。在I/O操作中，工厂模式可以用于封装流的创建逻辑，使得代码更灵活和易于扩展。示例:

  • 设计一个工厂类来创建不同类型的流，比如文件流、网络流等。这可以让代码更具可维护性和可扩展性。
public class StreamFactory {
    public static InputStream createFileInputStream(String filename) throws FileNotFoundException {
        return new FileInputStream(filename);
    }

    public static OutputStream createFileOutputStream(String filename) throws FileNotFoundException {
        return new FileOutputStream(filename);
    }
}

4. 策略模式（Strategy Pattern）​

概念: 策略模式用于定义一系列算法，并将它们封装在独立的类中，使它们可以互换。在Java I/O中，可以使用策略模式来处理不同的文件格式或编码方式。示例:

  • 设计一组类，每个类处理特定的文件格式或数据流的压缩/解压缩策略。然后使用策略模式动态选择合适的处理类。
public interface CompressionStrategy {
    OutputStream compress(OutputStream data) throws IOException;
}

public class ZipCompressionStrategy implements CompressionStrategy {
    public OutputStream compress(OutputStream data) throws IOException {
        return new ZipOutputStream(data);
    }
}

public class Compressor {
    private CompressionStrategy strategy;

    public Compressor(CompressionStrategy strategy) {
        this.strategy = strategy;
    }

    public void compress(OutputStream data) throws IOException {
        strategy.compress(data);
    }
}

五种模型​

UNIX 系统下， IO 模型一共有 5 种：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 和异步 I/O。

阻塞I/O（Blocking I/O）​

  • 在阻塞I/O模型中，当一个I/O操作被发起时，调用该操作的进程会被阻塞，直到I/O操作完成为止。也就是说，进程会等待I/O操作完成后才能继续执行其他任务。
  • 这种模型简单直观，但容易导致资源的浪费，因为在等待期间，CPU和其他资源可能处于闲置状态。

非阻塞I/O（Non-blocking I/O）​

  • 非阻塞I/O模型允许进程在发起I/O操作后立即返回，而不必等待I/O操作完成。进程可以继续执行其他任务，并在稍后检查I/O操作的状态。
  • 这种模型可以提高系统的并发性，但也需要进程不断地检查I/O操作的状态（即轮询），这可能会带来额外的开销。

I/O多路复用（I/O Multiplexing）​

  • I/O多路复用允许一个进程同时监视多个I/O描述符（如文件描述符、套接字等）的状态，并在其中一个或多个描述符就绪时进行相应处理。
  • 常用的多路复用机制包括select、poll、epoll（Linux）、kqueue（FreeBSD）等。
  • 这种模型适合处理大量I/O操作的场景，如服务器处理多个客户端连接。

信号驱动I/O（Signal-driven I/O）​

  • 信号驱动I/O模型中，进程可以通过设置信号处理程序来处理I/O事件。当I/O操作就绪时，操作系统会发送信号通知进程。
  • 这种模型类似于非阻塞I/O，但减少了轮询的开销，进程可以在接收到信号时才进行相应处理。

异步I/O（Asynchronous I/O，AIO）​

  • 在异步I/O模型中，进程发起I/O操作后可以立即继续执行其他任务，操作系统在I/O操作完成后通知进程。
  • 异步I/O提供了更高的并发性和效率，因为它不需要进程等待或轮询，可以在I/O操作完成时进行回调或信号通知。
  • 这种模型在需要高性能和高并发的应用中非常有用。

NIO核心​

1. 缓冲区（Buffer）​

  • 缓冲区是一个线性、有限的存储数据的容器。所有的NIO数据操作都通过缓冲区来进行。
  • 常用的缓冲区类型包括：ByteBuffer（字节缓冲区）、CharBuffer（字符缓冲区）、IntBuffer（整数缓冲区）等。它们对应不同的数据类型。
  • 缓冲区有三个关键属性：
    • 容量（Capacity）：缓冲区的最大存储容量，一旦设置就无法改变。
    • 位置（Position）：指示下一个要读或写的数据单元的位置。
    • 限制（Limit）：在读模式下，表示缓冲区中可读取的元素数；在写模式下，表示可以写入的最大元素数。

2. 通道（Channel）​

  • 通道是能够读写数据的双向通道。它类似于传统I/O中的流，但有更多的功能，如非阻塞读写。
  • 常见的通道包括：
    • FileChannel：用于文件I/O。
    • SocketChannel：用于网络I/O。
    • ServerSocketChannel：用于服务器端的网络I/O。
    • DatagramChannel：用于UDP协议的网络I/O。
  • 通道通常与缓冲区结合使用，通过缓冲区来读写数据。

3. 选择器（Selector）​

  • 选择器允许一个线程管理多个通道。选择器是NIO的核心，支持非阻塞I/O。
  • 一个通道可以注册到一个选择器上，并且可以注册多个通道。选择器使用一个事件驱动机制，当一个通道有事件（如读就绪、写就绪、连接建立等）时，选择器会通知注册的通道。
  • 常用的方法包括：
    • select()：阻塞直到至少有一个通道就绪。
    • selectNow()：非阻塞地检查通道是否有事件发生。
    • select(long timeout)：阻塞指定的时间，直到至少有一个通道就绪或超时。

4. 选择键（SelectionKey）​

  • 选择键表示通道和选择器之间的注册关系。当通道注册到选择器时，会产生一个选择键。
  • 选择键包含关于通道的多个信息，如通道注册的事件、通道的I/O操作的兴趣集合，以及一些附加的自定义对象。
  • 事件类型包括：OP_READ（读就绪）、OP_WRITE（写就绪）、OP_CONNECT（连接完成）、OP_ACCEPT（连接接收）。

5. 异步和非阻塞​

  • NIO的设计支持非阻塞I/O，这意味着线程不必阻塞等待I/O操作完成。非阻塞I/O允许一个线程同时管理多个I/O通道，提高了系统的并发处理能力。
  • 在非阻塞模式下，I/O操作立即返回。如果操作不能立即完成，它们返回0或-1，表示需要稍后重试。
0%