面试官：请讲一讲IO流核心模块与基本原理是什么？

前言

一、IO流与系统

IO技术在JDK中算是极其复杂的模块，其复杂的一个关键原因就是IO操作和系统内核的关联性，另外网络编程，文件管理都依赖IO技术，而且都是编程的难点，想要整体理解IO流，先从Linux操作系统开始。

Linux空间隔离

Linux使用是区分用户的，这个是基础常识，其底层也区分用户和内核两个模块：

User space：用户空间

Kernel space：内核空间

常识用户空间的权限相对内核空间操作权限弱很多，这就涉及到用户与内核两个模块间的交互，此时部署在服务上的应用如果需要请求系统资源，则在交互上更为复杂：

用户空间本身无法直接向系统发布调度指令，必须通过内核，对于内核中数据的操作，也是需要先拷贝到用户空间，这种隔离机制可以有效的保护系统的安全性和稳定性。

参数查看

可以通过Top命令动态查看各项数据分析，进程占用资源的状况：

us：用户空间占用CPU的百分比;

sy：内核空间占用CPU的百分比；

id：空闲进程占用CPU的百分比；

wa：IO等待占用CPU的百分比；

对wa指标，在大规模文件任务流程里是监控的核心项之一。

IO协作流程

此时再看上面图【1】的流程，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；

这里就是文件流中常说的：【同步/异步】IO,【阻塞/非阻塞】IO，下面看细节。

二、IO模型分析

1、同步阻塞

用户线程与内核的交互方式，应用端请求对应一个线程处理，整个过程中accept(接收)和read(读取)方法都会阻塞直至整个动作完成：

在常规CS架构模式中，这是一次IO操作的基本过程，该方式如果在高并发的场景下，客户端的请求响应会存在严重的性能问题，并且占用过多资源。

2、同步非阻塞

在同步阻塞IO的基础上进行优化，当前线程不会一直等待数据就绪直到完成复制：

在线程请求后会立即返回，并不断轮询直至拿到数据，才会停止轮询，这种模式的缺陷也是显而易见的，如果数据准备好，在通知线程完成后续动作，这样就可以省掉很多中间交互。

3、异步通知模式

在异步模式下，彻底摒弃阻塞机制，过程分段进行交互，这与常规的第三方对接模式很相似，本地服务在请求第三方服务时，如果请求过程耗时很大，会异步执行，第三方第一次回调，确认请求可以被执行；第二次回调则是推送处理结果，这种思想在处理复杂问题时，可以很大程度的提高性能，节省资源：

异步模式对于性能的提升是巨大的，当然其相应的处理机制也更复杂，程序的迭代和优化是无止境的，在NIO模式中再次对IO流模式进行优化。

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。

注意：File并不操作文件承载的数据内容，文件内容称为数据，文件自身信息称为元数据。

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(); } } 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.38.39.40.41.

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上述案例使用了File类中的基本构造和常用方法（读取、判断、创建、删除）等，JDK源码在不断的更新迭代，通过类的构造器、方法、注释等去判断类具有的基本功能，是作为开发人员的必备能力。

在File文件类中缺乏两个关键信息描述：类型和编码，如果经常开发文件模块的需求，就知道这是两个极其复杂的点，很容易出现问题，下面站在实际开发的角度看看如何处理。

2、文件业务场景

如图所示，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：

基本过程描述：

源文件生成，推送文件中心；

通知业务使用节点获取文件；

业务节点进行逻辑处理；

很显然的一个问题，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。

上面流程中，源文件节点通知业务节点时的数据主体描述：

public class BizFile { /** * 文件任务批次号 */ private String taskId ; /** * 是否压缩 */ private Boolean zipFlag ; /** * 文件地址 */ private String fileUrl ; /** * 文件类型 */ private String fileType ; /** * 文件编码 */ private String fileCode ; /** * 业务关联：数据库 */ private String bizDataBase ; /** * 业务关联：数据表 */ private String bizTableName ; } 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.

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把整个过程当做一个任务进行封装，即：任务批次、文件信息、业务库表路由等，当然这些信息也可以直接标记在文件命名的策略上，处理的手段类似：

/** * 基于约定策略读取信息 */ public class File02 { public static void main(String[] args) { BizFile bizFile = new BizFile("IN001",Boolean.FALSE, IoParam.BASE_PATH, "csv","utf8","model","score"); bizFileInfo(bizFile) ; /* * 业务性校验 */ File file = new File(bizFile.getFileUrl()); if (!file.getName().endsWith(bizFile.getFileType())){ System.out.println(file.getName()+"：描述错误..."); } } private static void bizFileInfo (BizFile bizFile){ logInfo("任务ID",bizFile.getTaskId()); logInfo("是否解压",bizFile.getZipFlag()); logInfo("文件地址",bizFile.getFileUrl()); logInfo("文件类型",bizFile.getFileType()); logInfo("文件编码",bizFile.getFileCode()); logInfo("业务库",bizFile.getBizDataBase()); logInfo("业务表",bizFile.getBizTableName()); } } 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.

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基于主体描述的信息，也可以转化到命名规则上：命名策略：编号_压缩_Excel_编码_库_表，这样一来在业务处理时，不符合约定的文件直接排除掉，降低文件异常导致的数据问题。

四、基础流模式

1、整体概述

IO流向

基本编码逻辑：源文件->输入流->逻辑处理->输出流->目标文件；

基于不同的角度看，流可以被划分很多模式：

流动方向：输入流、输出流；

流数据类型：字节流、字符流；

IO流的模式有很多种，相应的API设计也很复杂，通常复杂的API要把握住核心接口与常用的实现类和原理。

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

IO流常规读写模式，即读取到数据然后写出，还有一种缓冲模式，即数据先加载到缓冲数组，在读取的时候判断是否要再次填充缓冲区：

缓冲模式的优点十分明显，保证读写过程的高效率，并且与数据填充过程隔离执行，在BufferedInputStream、BufferedReader类中是对缓冲逻辑的具体实现。

2、字节流

API关系图：

字节流基础API：

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(); } } 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.

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字节流缓冲API：

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(); } } 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.

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字节流应用场景：数据是文件本身，例如图片，视频，音频等。

3、字符流

API关系图：

字符流基础API：

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(); } } 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.

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字符流缓冲API：

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(); } } 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.

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字符流应用场景：文件作为数据的载体，例如Excel、CSV、TXT等。

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); } } 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.

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乱码出现的根本原因，就是在编码与解码的两个阶段使用的编码类型不同。

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(); } } 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.

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注意：引用类型的成员对象也必须是可被序列化的，否则会抛出NotSerializableException异常。

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；

API使用案例

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(); } } 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.

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上述案例只是NIO最基础的文件复制能力，在网络通信中，NIO模式的发挥空间十分宽广。

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。

API案例：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 selectionKeys = selector.selectedKeys(); Iterator 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(); } } } 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.23.24.25.26.27.28.29.30.31.32.33.34.35.36.37.38.39.40.41.42.43.44.45.46.47.

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API案例：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(); } } } 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.16.17.18.19.20.21.22.

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SelectionKey绑定Selector和Chanel之间的关联，并且可以获取就绪状态下的Channel集合。

六、源代码地址

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GitHub·地址 https://github.com/cicadasmile/java-base-parent GitEE·地址 https://gitee.com/cicadasmile/java-base-parent

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最后

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API 任务调度

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