Java面试篇基础部分-Java 实现的I/O方式

news2024/12/27 12:34:45

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Java I/O

在整个的java.io包中提供了5个重要的I/O类和1个接口类。5个类分别是File、OutputStream、InputStream、Writer、Reader ，1个接口是指Serializable序列化接口。具体的使用方式可以查看JDK的参考文档。

Java NIO 实现

Java NIO的实现内容主要有如下的三个核心内容

Selector(选择器)
Channel(通道)
Buffer(缓冲区)

Selector 用于监听多个Channel的操作事件，例如连接的打开、数据的连接处理等，所以说一个线程可以实现对于多个Channel的管理操作。

传统的I/O是基于数据流的方式进行I/O的读写操作；NIO是基于Channel和Buffer进行的I/O操作，数据从Channel中读取到了Buffer中，或者操作从Buffer数据写入到Channel中。

JavaNIO与传统I/O操作的区别

I/O操作是面对流对象的，而NIO则是面向缓冲区的；在面向流的操作中，数据只能在输入流或者输出流中进行连续的读写操作，数据没有缓冲区这个概念，所以字节流无法进行前后移动。在NIO的操作中数据是从Channel中读取到Buffer中，然后再从Buffer中读取的Channel中，既然出现了Channel就可以很容易的实现数据的前后操作。也就出现了NIO中常见的拆包、粘包问题。
传统的I/O方式是阻塞的模式，NIO是非阻塞模式，在传统的I/O模式下，当用户调用了read()或者是write()进行读写操作的时候，线程一直处于阻塞状态等待数据的写入写出操作。NIO通过Selector机制监听每个Channel的事件的变化，当Channel上有数据发生变化的时候通知对应的线程进行读写操作。对于读请求，在Channel有可用数据的时候，线程现将数据写入到Buffer上，在没有数据的时候，线程执行其他的业务逻辑操作。对于写请求，在一个线程进行写操作的时候数据写入到某个Channel中的时候，只需要Channel上的数据通过异步的方式写入到Buffer就可以了。Buffer上的数据会通过异步的方式写入到目标机器的Channel上，用户线程不需要等待数据完全被写入，就可以执行其他的业务逻辑操作。

非阻塞IO模型中Selector线程工作如下图所示。
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Channel

Channel和I/O流Stream类似，只不过Stream是单向的，Channel是双向的，也就是说流式只能是输入流或者输出流，但是Channel即可用来进行读操作，也可以进行写操作。

NIO中Channel主要的实现类有如下几种：

FileChannel
DatagramChannel
SocketChannel
ServerSocketChannel

分别对应的是文件I/O操作、UDP、TCP IO 、Socket Client和Socket Server操作。

Buffer

Buffer实际上通过上面的理解我们可以看出，它是一个容器，其内部通过一个连续的字节数组存储I/O上的数据。在NIO中，Channel在文件、网络上对数据的读取或写入都必须经过Buffer。

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如图所示，客户端向着服务端发送数据的时候，先将数据写入到Buffer中，然后将Buffer中的数据写入到服务端对应的Channel中，服务端在接受到数据的时候通过Channel将数据读入到Buffer中，然后从Buffer中读取数据并进行对应的处理。

Java NIO包中Buffer是一个抽象类主要有如下的一些实现类

ByteBuffer
IntBuffer
CharBuffer
LongBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
ShortBuffer

Selector

Selector选择器，用来检测在多个Channel上是否有I/O操作事件发生，并且对检测到的I/O事件进行相应的处理。所以Selector通过一个线程就可以实现对于多个Channel的管理。这样就不需要为每个连接都创建线程，避免了线程资源和在多线程上下文切换导致的开销。

Selector只有在Channel有读写事件发生的时候，才能调用I/O函数进行读写操作。极大地减少了系统开销，提高系统的并发量。

服务端示例代码

package nioDemo;
 
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.CharBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
import java.util.Random;
import java.util.Set;
 
 
/*服务器端，:接收客户端发送过来的数据并显示，
 *服务器把上接收到的数据加上"echo from service:"再发送回去*/
public class ServiceSocketChannelDemo {
   
     
    public static class TCPEchoServer implements Runnable{
   
         
        /*服务器地址*/
        private InetSocketAddress localAddress;
         
        public TCPEchoServer(int port) throws IOException{
   
            this.localAddress = new InetSocketAddress(port);
        }
         
         
        @Override
        public void run(){
   
             
            Charset utf8 = Charset.forName("UTF-8");
             
            ServerSocketChannel ssc = null;
            Selector selector = null;
             
            Random rnd = new Random();
             
            try {
   
                /*创建选择器*/
                selector = Selector.open();
                 
                /*创建服务器通道*/
                ssc = ServerSocketChannel.open();
                ssc.configureBlocking(false);
                 
                /*设置监听服务器的端口，设置最大连接缓冲数为100*/
                ssc.bind(localAddress, 100);
                 
                /*服务器通道只能对tcp链接事件感兴趣*/
                ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
                 
            } catch (IOException e1) {
   
                System.out.println("server start failed");
                return;
            } 
             
            System.out.println("server start with address : " + localAddress);
             
            /*服务器线程被中断后会退出*/
            try{
   
                 
                while(!Thread.currentThread().