IO模型分析

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；

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

public class File01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1、读取指定文件
        File speFile = new File(IoParam.BASE_PATH+"fileio-03.text") ;
        if (!speFile.exists()){
            boolean creFlag = speFile.createNewFile() ;
            System.out.println("创建："+speFile.getName()+"; 结果："+creFlag);
        }

        // 2、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);
        }

        // 3、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>0){
            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();
    }
}

2、文件业务场景

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:

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。

四、基础流模式

1、整体概述

基本编码逻辑：源文件->输入流->逻辑处理->输出流->目标文件；

流动方向：输入流、输出流；
流数据类型：字节流、字符流

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

在BufferedInputStream、BufferedReader类中是对缓冲逻辑的具体实现

2、字节流

字节流应用场景：数据是文件本身，例如图片，视频，音频等。

基础api操作实例：

public class IoByte01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 源文件 目标文件
        File source = new File(IoParam.BASE_PATH+"fileio-01.png") ;
        File target = new File(IoParam.BASE_PATH+"copy-"+source.getName()) ;
        // 输入流 输出流
        InputStream inStream = new FileInputStream(source) ;
        OutputStream outStream = new FileOutputStream(target) ;
        // 读入 写出
        byte[] byteArr = new byte[1024];
        int readSign ;
        while ((readSign=inStream.read(byteArr)) != -1){
            outStream.write(byteArr);
        }
        // 关闭输入、输出流
        outStream.close();
        inStream.close();
    }
}

public class IoByte02 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 源文件 目标文件
        File source = new File(IoParam.BASE_PATH+"fileio-02.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()) != -1){
            bufOutStream.write(readSign);
        }
        // 关闭输入、输出流
        bufOutStream.close();
        bufInStream.close();
    }
}

3、字符流

字符流应用场景：文件作为数据的载体，例如Excel、CSV、TXT等。

基本api操作实例

public class IoChar01 {
    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()) != -1){
            writer.write(readSign);
        }
        writer.flush();
        // 关闭流
        writer.close();
        reader.close();
    }
}

public class IoChar02 {
    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();
    }
}

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_8) ;
        for (byte encode:enVar){
            System.out.println(encode);
        }
        // 解码
        String deVar = new String(enVar,StandardCharsets.UTF_8) ;
        System.out.println(deVar);
        // 乱码
        String messyVar = new String(enVar,StandardCharsets.ISO_8859_1) ;
        System.out.println(messyVar);
    }
}

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 Seriali01 {
    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(1,"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();
    }
}

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；

public class IoNew01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 源文件 目标文件
        File source = new File(IoParam.BASE_PATH+"fileio-02.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, 0, inChannel.size());

        // 缓冲区读写机制
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
        while (true) {
            // 读取通道中数据到缓冲区
            int in = inChannel.read(buffer);
            if (in == -1) {
                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();
    }
}

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

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("127.0.0.1", 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(1024);
            while (selector.select() > 0){
                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 > 0){
                            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();
        }

    }
}

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("127.0.0.1", 8089));
            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            String conVar = "[hello-8089]";
            writeBuffer.put(conVar.getBytes());
            writeBuffer.flip();
            // 每隔5S发送一次数据
            while (true) {
                Thread.sleep(5000);
                writeBuffer.rewind();
                socketChannel.write(writeBuffer);
                writeBuffer.clear();
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}