Java IO流

什么是IO流

流

流代表任何有能力产出数据的数据流对象，或者有能力接收数据的接收端对象《Think in Java》

流：流是一个抽象的概念。当Java程序需要从数据源读取数据时，会开启一个到数据源的流。同样，当程序需要输出数据到目的地时也一样会开启一个流,我们可以认为数据就是在“流”上传输的。 流的创建是为了更方便地处理数据的输入输出，流的目的地可以是文件，内存和网络

流的本质：数据传输

流的特性：

• 先进先出：最先写入输出流的数据最先被输入流读取到
• 顺序存取：可以一个接一个地往流中写入一串字节，读出时也将按写入顺序读取一串字节，不能随机访问中间的数据。
• 只读或只写：每个流只能是输入流或输出流的一种，不能同时具备两个功能，输入流只能进行读操作，对输出流只能进行写操作。在一个数据传输通道中，如果既要写入数据，又要读取数据，则要分别提供两个流。

作用：为数据源和目的地建立一个输送通道

IO流

IO：即in和out，也就是输入和输出，指应用程序和外部设备之间的数据传递，常见的外部设备包括文件、管道、网络连接。Java 中是通过流处理IO 的
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以一次文件读取为例，我们需要将磁盘上的数据读取到用户空间，那么这次数据转移操作其实就是一次I/O操作，更具体的说是一次文件I/O。我们浏览网页，其中在请求一个网页时，服务器通过网络把数据发送给我们，此时程序将数据从TCP缓冲区复制到用户空间，那么这次数据转移操作其实也是一次I/O操作，更具体的说是一次网络I/O

简单来说，IO流就是Java用来处理IO操作的流。关于IO的类都存放在java.io包下

java IO读写的原理

无论是Socket的读写还是文件的读写，在Java层面的应用开发或者是linux系统底层开发，都属于输入input和输出output的处理，简称为IO读写。在原理上和处理流程上，都是一致的。区别在于参数的不同。

用户程序进行IO的读写，基本上会用到read&write两大系统调用。可能不同操作系统，名称不完全一样，但是功能是一样的

注意：read系统调用，并不是把数据直接从物理设备，读数据到内存。write系统调用，也不是直接把数据，写入到物理设备。

read系统调用，是把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区；而write系统调用，是把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区**。这个两个系统调用，都不负责数据在内核缓冲区和磁盘之间的交换。

底层的读写交换，是由操作系统kernel内核完成的

进程缓冲区和内核缓冲区

缓冲区的目的，是为了减少频繁的系统IO调用。

系统调用需要保存之前的进程数据和状态等信息，而结束调用之后回来还需要恢复之前的信息，为了减少这种损耗时间、也损耗性能的系统调用，于是出现了缓冲区。

有了缓冲区，操作系统使用read函数把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区(也叫用户缓冲区)，write把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区中。

等待缓冲区达到一定数量的时候，再进行IO的调用，提升性能。至于什么时候读取和存储则由内核来决定，用户程序不需要关心。

在linux系统中，系统内核也有个缓冲区叫做内核缓冲区。每个进程有自己独立的缓冲区，叫做进程缓冲区。
所以，用户程序的IO读写程序，大多数情况下，**并没有进行实际的IO操作，而是在进程缓冲区和内核缓冲区之间进行数据的交换**

读写过程

比如一次文件读写的过程
（1）进程调用read系统，申请从内核缓冲区读取数据
（1）内核缓冲区调用read系统从磁盘读取文件数据
（2）进程将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区（进程缓冲区）
（3）进程对用户缓冲区内容数据进行读写
（4）进程调用write系统将用户缓冲区内容写入内核缓冲区
（5）当IO操作达到一定的量时，将数据从内核缓冲区写入磁盘

IO模型

服务器端编程经常需要构造高性能的IO模型，常见的IO模型有四种

（1）同步阻塞IO（Blocking IO，BIO）

同步： 数据就绪后，仍要用户代码主动调用读取系统调用接口才会将数据读到用户空间。

异步： 调用异步io系统接口后，用户代码直接返回无需等待 ，操作系统会轮询设备，然后再数据准备好时自动将数据复制到用户内存，然后通知用户代码数据已就绪。

阻塞IO（blocking IO）：发出io请求时，系统调用不直接返回，由操作系统负责轮询设备，直到数据准备好后，再让用户代码继续执行。

非阻塞IO（non-blocking IO）：发出io请求时，若不能完成操作，则直接返回用户代码，并给出对应的错误码。用户代码负责轮询，即不断尝试读取并判断是否读取失败，直到读取成功。

jaav的socket就是默认同步阻塞的IO。

特点：在内核进行IO执行的两个阶段，用户线程都被阻塞了

优点：程序简单，在阻塞等待数据期间，用户线程挂起。用户线程基本不会占用 CPU 资源。

缺点：一般情况下，会为每个连接配套一条独立的线程，或者说一条线程维护一个连接成功的IO流的读写。在并发量小的情况下，这个没有什么问题。但是，当在高并发的场景下，需要大量的线程来维护大量的网络连接，内存、线程切换开销会非常巨大。因此，基本上，BIO模型在高并发场景下是不可用的。

（2）同步非阻塞IO（Non-blocking IO,NIO）

非阻塞IO，指的是内核立即返回给用户一个状态值，**用户空间无需等到内核的IO操作彻底完成**，可以立即返回用户空间，执行用户的操作，处于非阻塞的状态。

特点：应用程序的线程需要不断地进行IO系统调用，轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，就继续轮询，直到完成IO系统调用为止

优点：每次发起的 IO 系统调用，在内核的等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会阻塞，实时性较好

缺点：需要不断的重复发起IO系统调用，这种不断的轮询，将会不断地询问内核，这将占用大量的 CPU 时间，系统资源利用率较低。

（3）IO多路复用（IO Multiplexing）

内核将数据从外设读取到内核缓冲区、将内核缓冲区的数据复制到用户缓冲区这两个阶段在IO多路复用模型中，引入了一种新的系统调用，查询IO的就绪状态。

在Linux系统中，对应的系统调用为select/epoll系统调用。通过该系统调用，**一个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读/可写），内核能够将就绪的状态返回给应用程序。随后，应用程序根据就绪的状态，进行相应的IO系统调用**，用户程序都不需要阻塞。

基本原理：**
（1）进行select/epoll系统调用(当用户进程调用了select，那么整个线程会被阻塞掉)，查询可以读的连接。kernel会查询所有select的可查询socket列表，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。

（2）用户线程获得了目标连接后，发起read系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据。它就会将数据从kernel内核缓冲区，拷贝到用户缓冲区（用户内存），然后kernel返回结果。

（3）用户线程解除阻塞状态，用户线程终于真正读取到数据，继续执行。

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IO多路复用模型的基本原理就是select/epoll系统调用，单个线程不断的轮询select/epoll系统调用所负责的成百上千的socket连接，当某个或者某些socket网络连接有数据到达了，就返回这些可以读写的连接。因此，好处也就显而易见了——通过一次select/epoll系统调用，就查询到到可以读写的一个甚至是成百上千的网络连接。

特点：IO多路复用模型的IO涉及两种系统调用（System Call），另一种是select/epoll（就绪查询），一种是IO操作。IO多路复用模型建立在操作系统的基础设施之上，即操作系统的内核必须能够提供多路分离的系统调用select/epoll。

和NIO模型相似，多路复用IO也需要轮询。负责select/epoll状态查询调用的线程，需要不断地进行select/epoll轮询，查找出达到IO操作就绪的socket连接。

优点：与一个线程维护一个连接的阻塞IO模式相比，使用select/epoll的最大优势在于，一个选择器查询线程可以同时处理成千上万个连接（Connection）。系统不必创建大量的线程，也不必维护这些线程，从而大大减小了系统的开销。

Java语言的NIO（New IO）技术，使用的就是IO多路复用模型。在Linux系统上，使用的是epoll系统调用。

缺点：本质上，select/epoll系统调用是阻塞式的，属于同步IO。都需要在读写事件就绪后，由系统调用本身负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。

（4）异步IO（Asynchronous IO，AIO）

异步IO模型是比较理想的IO模型，在异步IO模型中，当用户线程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。另一方面，内核会等待数据准备完成，然后将数据复制到用户线程，当这一切都完成之后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它read操作完成了。也就是说用户线程完全不需要关心实际的整个IO操作了，只需要发起请求就行了，当收到内核的成功信号时就可以直接去使用数据了

那实际上，这种方式后半段的操作将用户空间的线程变成被动接受者，而内核空间成主动调用者，用户空间的线程需要向内核空间注册各种IO事件的回调函数，由内核去主动调用。

特点：在内核等待数据和复制数据的两个阶段，用户线程都不是block(阻塞)的
缺点：应用程序仅需要进行事件的注册与接收，其余的工作都留给了操作系统，也就是说，需要底层内核提供支持

在JDK1.4之前，基于Java的所有socket通信都是使用阻塞I/O（BIO），JDK1.4提供了了非阻塞I/O（NIO）功能，不过虽然名字叫做NIO，实际底层模型是I/O多路复用，JDK1.7提供了针对异步I/O（AIO）功能

IO流分类

Java的IO模型设计非常优秀，它使用Decorator(装饰者)模式，按功能划分Stream，允许开发动态装配组合这些Stream来完成功能。那么Java中都有哪些IO流呢？

数据流向-输入流&输出流

按照数据的流动方向，可以分为输入流（InputStream/Reader）和输出流（OutputStream/Writer）**，**此输入、输出是相对于我们写的代码程序而言，

输入流（InputStream/Reader）：从别的地方(本地文件，网络上的资源等)获取资源 输入到 我们的程序中
　　
输出流（OutputStream/Writer）：从我们的程序中 输出到 别的地方(本地文件)， 将一个字符串保存到本地文件中，就需要使用输出流。

操作单元-字节流&字符流

根据数据不同的操作单元，分为字节流（InputStream/OutputStream）和字符流（Reader/Writer）

1字符 = 2字节 、 1字节(byte) = 8位(bit) 、 一个汉字占两个字节长度，即字节<字符

字节流（InputStream/OutputStream）：每次读取(写出)一个字节，当传输的资源文件有中文时，就会出现乱码，所有字节流对象都实现了InputStream和OutputStream抽象类
字符流（Reader/Writer）：每次读取(写出)两个字节，有中文时，使用该流就可以正确传输显示中文。所有字符流对象都实现了Reader和Writer抽象类

可以说，为了更方便地处理中文字符，Java才推出了字符流。

字节流和字符流的其他区别：

• 字节流一般用来处理图像、视频、音频、PPT、Word等类型的文件。字符流一般用于处理纯文本类型的文件，如TXT文件等，但不能处理图像视频等非文本文件。用一句话说就是：字节流可以处理一切文件，而字符流只能处理纯文本文件。

• 字节流本身没有缓冲区，缓冲字节流（BufferedInputStream）相对于字节流，效率提升非常高。而字符流本身就带有缓冲区，缓冲字符流(BufferedReader)相对于字符流效率提升就不是那么大了

功能区分-节点流&处理流

根据流功能区分，可以分为节点流和处理流。节点流是真正直接处理数据的（如FileInputStream）；处理流是装饰加工节点流的。(**如BufferedReader**)

处理流是对一个已存在的流的连接和封装，通过所封装的流的功能调用实现数据读写。如 BufferedReader。
处理流的构造方法总是要带一个其他的流对象做参数。

常见节点流：

• 文件流：FileInputStream，FileOutputStrean，FileReader，FileWriter，它们都会直接操作文件，直接与 OS 底层交互。因此他们被称为节点流 ，注意：使用这几个流的对象之后，需要关闭流对象，因为 java 垃圾回收器不会主动回收。不过在 Java7 之后，可以在 try() 括号中打开流，最后程序会自动关闭流对象，不再需要显式地 close。

• 数组流：ByteArrayInputStream，ByteArrayOutputStream，CharArrayReader，CharArrayWriter，对数组进行处理的节点流。

• 字符串流：StringReader，StringWriter，其中 StringReader 能从 String 中读取数据并保存到 char 数组。

• 管道流：PipedInputStream，PipedOutputStream，PipedReader，PipedWrite，对管道进行处理的节点流。

常见处理流：

• 缓冲流 ：BufferedInputStrean，BufferedOutputStream，BufferedReader ，BufferedWriter，需要父类作为参数构造，增加缓冲功能，避免频繁读写硬盘，可以初始化缓冲数据的大小，由于带了缓冲功能，所以就写数据的时候需要使用 flush 方法，另外，BufferedReader 提供一个 readLine( ) 方法可以读取一行，而 FileInputStream 和 FileReader 只能读取一个字节或者一个字符，因此 BufferedReader 也被称为行读取器。

• 转换流：InputStreamReader，OutputStreamWriter，要 inputStream 或 OutputStream 作为参数，实现从字节流到字符流的转换，我们经常在读取键盘输入（System.in）或网络通信的时候，需要使用这两个类。

• 数据流：DataInputStream，DataOutputStream，提供将基础数据类型写入到文件中，或者读取出来。

四个基本的抽象流

Java封装了基本的四个流抽象类，所有的流都继承这四个抽象类，后续源码讲解会讲到。

Java IO流体系