Java IO 和 NIO 的基本概念和 API

一、 Java IO (Blocking IO)

基本概念：
- Java IO 是 Java 平台提供的用于进行输入和输出操作的 API。
- Java IO 基于 流 (Stream) 的模型，数据像水流一样从一个地方流向另一个地方。
- Java IO 主要是 阻塞式 I/O (Blocking I/O)，即线程在执行 I/O 操作时会被阻塞，直到操作完成。
- 传统IO指的是java.io包下的部分组件（File, InputStream, OutputStream, Reader, Writer）。
IO 流的分类：
- 按数据传输方向：
  - 输入流 (Input Stream)： 用于从数据源读取数据（例如，从文件、网络连接、键盘等）。以 InputStream 或 Reader 作为基类。
  - 输出流 (Output Stream)： 用于将数据写入到目标（例如，写入到文件、网络连接、控制台等）。以 OutputStream 或 Writer 作为基类。
- 按数据传输单位：
  - 字节流 (Byte Stream)： 以字节 (8 bits) 为单位进行数据传输。以 InputStream 和 OutputStream 作为基类。适用于处理二进制数据（例如，图片、音频、视频等）。
  - 字符流 (Character Stream)： 以字符 (16 bits) 为单位进行数据传输。以 Reader 和 Writer 作为基类。适用于处理文本数据。
核心类和接口：
- InputStream (字节输入流)：
  - FileInputStream: 从文件中读取字节。
  - ByteArrayInputStream: 从字节数组中读取字节。
  - ObjectInputStream: 从对象流中读取对象。
  - BufferedInputStream: 带缓冲的字节输入流，提高读取效率。
- OutputStream (字节输出流)：
  - FileOutputStream: 向文件中写入字节。
  - ByteArrayOutputStream: 向字节数组中写入字节。
  - ObjectOutputStream: 向对象流中写入对象。
  - BufferedOutputStream: 带缓冲的字节输出流，提高写入效率。
- Reader (字符输入流)：
  - FileReader: 从文件中读取字符。
  - CharArrayReader: 从字符数组中读取字符。
  - BufferedReader: 带缓冲的字符输入流，提高读取效率。
  - InputStreamReader: 将字节输入流转换为字符输入流（需要指定字符编码）。
- Writer (字符输出流)：
  - FileWriter: 向文件中写入字符。
  - CharArrayWriter: 向字符数组中写入字符。
  - BufferedWriter: 带缓冲的字符输出流，提高写入效率。
  - OutputStreamWriter: 将字节输出流转换为字符输出流（需要指定字符编码）。
- File: 表示文件或目录的抽象表示。
IO 操作流程 (以读取文件为例)：
1. 创建 File 对象： 指定要读取的文件路径。
2. 创建 FileInputStream 对象： 将 File 对象作为参数传递给 FileInputStream 的构造方法，创建一个 FileInputStream 对象。
3. 创建 BufferedInputStream 对象 (可选)： 将 FileInputStream 对象作为参数传递给 BufferedInputStream 的构造方法，创建一个 BufferedInputStream 对象，提高读取效率。
4. 读取数据： 使用 read() 方法从输入流中读取数据。
5. 关闭流： 在完成读取操作后，务必关闭输入流，释放资源（先关闭 BufferedInputStream，再关闭 FileInputStream）。

代码示例 (读取文件内容)：

import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class IOExample {
    public static void main(String[] args) {
        File file = new File("test.txt"); // 替换为你的文件路径

        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
             BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis)) { // 使用 try-with-resources 语句，自动关闭流

            byte[] buffer = new byte[1024];
            int bytesRead;

            while ((bytesRead = bis.read(buffer)) != -1) {
                // 处理读取到的数据
                String data = new String(buffer, 0, bytesRead);
                System.out.print(data);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

二、 Java NIO (Non-blocking IO)

基本概念：
- Java NIO 是 Java 1.4 引入的一组新的 I/O API，旨在提供高性能、非阻塞的 I/O 操作。
- NIO 使用 通道 (Channel) 和 缓冲区 (Buffer) 的模型，而不是流。
- NIO 主要是 非阻塞式 I/O (Non-blocking I/O)，即线程在执行 I/O 操作时不会被阻塞，而是可以执行其他任务。
- NIO 使用 选择器 (Selector) 来监听多个通道的事件，实现单线程管理多个连接。
核心组件：
- 通道 (Channel):
  - 通道类似于流，但可以进行双向数据传输（既可以读取数据，也可以写入数据）。
  - 常见的通道：
    - FileChannel: 用于文件 I/O。
    - SocketChannel: 用于 TCP 网络 I/O (客户端)。
    - ServerSocketChannel: 用于 TCP 网络 I/O (服务器端)。
    - DatagramChannel: 用于 UDP 网络 I/O。
- 缓冲区 (Buffer):
  - 缓冲区是用于存储数据的容器，本质上是一个字节数组 (ByteBuffer) 或字符数组 (CharBuffer)。
  - NIO 使用缓冲区进行数据传输，而不是直接从通道读取数据或向通道写入数据。
  - 常见的缓冲区：
    - ByteBuffer: 字节缓冲区。
    - CharBuffer: 字符缓冲区。
    - ShortBuffer: 短整型缓冲区。
    - IntBuffer: 整型缓冲区。
    - LongBuffer: 长整型缓冲区。
    - FloatBuffer: 浮点型缓冲区。
    - DoubleBuffer: 双精度浮点型缓冲区。
- 选择器 (Selector):
  - 选择器允许单个线程监听多个通道的事件（例如连接建立、数据可读、数据可写等）。
  - 使用选择器可以避免为每个连接创建一个线程，从而提高并发性能。
NIO 操作流程 (以读取 SocketChannel 数据为例)：
1. 创建 ServerSocketChannel： 监听客户端连接。
2. 创建 SocketChannel： 接受客户端连接。
3. 将 SocketChannel 注册到 Selector： 指定要监听的事件（例如 OP_READ, OP_WRITE, OP_CONNECT, OP_ACCEPT）。
4. 创建 ByteBuffer： 用于存储读取到的数据。
5. 调用 selector.select() 方法： 阻塞等待有事件发生的通道。
6. 获取就绪的通道： selector.selectedKeys() 返回所有就绪通道的集合。
7. 处理事件： 遍历就绪通道的集合，根据不同的事件类型执行相应的操作（例如读取数据、写入数据）。
8. 读取数据： 调用 channel.read(buffer) 从通道读取数据到缓冲区。
9. 处理缓冲区数据： 从缓冲区读取数据并进行处理。
10. 关闭通道和选择器： 在完成操作后，务必关闭通道和选择器，释放资源。

代码示例 (使用 SocketChannel 读取数据)：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NIOExample {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1. 创建 SocketChannel
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("www.example.com", 80));
        socketChannel.configureBlocking(false); // 设置为非阻塞模式

        // 2. 创建 ByteBuffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        // 3. 从 Channel 读取数据到 Buffer
        int bytesRead = socketChannel.read(buffer);

        while (bytesRead > 0) {
            // 切换到读模式
            buffer.flip();

            // 4. 从 Buffer 读取数据
            while (buffer.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) buffer.get());
            }

            // 清空 Buffer，准备下一次读取
            buffer.clear();
            bytesRead = socketChannel.read(buffer);
        }

        socketChannel.close();
    }
}

三、 Java IO 与 NIO 的区别

特性	Java IO (Blocking IO)	Java NIO (Non-blocking IO)
数据传输方式	基于流 (Stream)	基于通道 (Channel) 和缓冲区 (Buffer)
I/O 模型	阻塞式 I/O (Blocking I/O)	非阻塞式 I/O (Non-blocking I/O)
选择器	没有	有 (Selector)
API	简单易用	相对复杂，需要理解通道、缓冲区、选择器等概念
性能	性能较低 (高并发下)	性能较高 (高并发下)
线程模型	通常使用多线程模型 (每个连接一个线程)	通常使用单线程多路复用模型 (一个线程管理多个连接)
适用场景	低并发、连接数较少的应用，或者可以接受阻塞的场景	高并发、连接数较多的应用，需要高性能和非阻塞的场景，例如网络服务器、聊天服务器等