为什么一个还没毕业的大学生能够把 IO 讲的这么好？

Java IO 是一个庞大的知识体系，很多人学着学着就会学懵了，包括我在内也是如此，所以本文将会从 Java 的 BIO 开始，一步一步深入学习，引出 JDK1.4 之后出现的 NIO 技术，对比 NIO 与 BIO 的区别，然后对 NIO 中重要的三个组成部分进行讲解(缓冲区、通道、选择器)，最后实现一个简易的客户端与服务器通信功能。

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传统的 BIO

Java IO流是一个庞大的生态环境，其内部提供了很多不同的输入流和输出流，细分下去还有字节流和字符流，甚至还有缓冲流提高 IO 性能，转换流将字节流转换为字符流······看到这些就已经对 IO 产生恐惧了，在日常开发中少不了对文件的 IO 操作，虽然 apache 已经提供了 Commons IO 这种封装好的组件，但面对特殊场景时，我们仍需要自己去封装一个高性能的文件 IO 工具类，本文将会解析 Java IO 中涉及到的各个类，以及讲解如何正确、高效地使用它们。

BIO NIO 和 AIO 的区别

我们会以一个经典的烧开水的例子通俗地讲解它们之间的区别

BIO (同步阻塞 I/O)

这里假设一个烧开水的场景，有一排水壶在烧开水，BIO的工作模式就是， 小菠萝一直看着着这个水壶，直到这个水壶烧开，才去处理下一个水壶。线程在等待水壶烧开的时间段什么都没有做。

NIO(同步非阻塞 I/O)

还拿烧开水来说，NIO的做法是小菠萝一边玩着手机，每隔一段时间就看一看每个水壶的状态，看看是否有水壶的状态发生了改变，如果某个水壶烧开了，可以先处理那个水壶，然后继续玩手机，继续隔一段时间又看看每个水壶的状态。

AIO (异步非阻塞 I/O)

小菠萝觉得每隔一段时间就去看一看水壶太费劲了，于是购买了一批烧开水时可以哔哔响的水壶，于是开始烧水后，小菠萝就直接去客厅玩手机了，水烧开时，就发出“哔哔”的响声，通知小菠萝来关掉水壶。

什么是流

知识科普：我们知道任何一个文件都是以二进制形式存在于设备中，计算机就只有 0 和1，你能看见的东西全部都是由这两个数字组成，你看这篇文章时，这篇文章也是由01组成，只不过这些二进制串经过各种转换演变成一个个文字、一张张图片跃然屏幕上。

而流就是将这些二进制串在各种设备之间进行传输，如果你觉得有些抽象，我举个例子就会好理解一些：

“下图是一张图片，它由01串组成，我们可以通过程序把一张图片拷贝到一个文件夹中，

把图片转化成二进制数据集，把数据一点一点地传递到文件夹中 , 类似于水的流动 , 这样整体的数据就是一个数据流”

IO 流读写数据的特点：

• 顺序读写。读写数据时，大部分情况下都是按照顺序读写，读取时从文件开头的第一个字节到最后一个字节，写出时也是也如此(RandomAccessFile 可以实现随机读写)
• 字节数组。读写数据时本质上都是对字节数组做读取和写出操作，即使是字符流，也是在字节流基础上转化为一个个字符，所以字节数组是 IO 流读写数据的本质。

流的分类

根据数据流向不同分类：输入流 和 输出流

• 输入流：从磁盘或者其它设备中将数据输入到进程中
• 输出流：将进程中的数据输出到磁盘或其它设备上保存

图示中的硬盘只是其中一种设备，还有非常多的设备都可以应用在IO流中，例如：打印机、硬盘、显示器、手机······

根据处理数据的基本单位不同分类：字节流 和 字符流

• 字节流：以字节(8 bit)为单位做数据的传输
• 字符流：以字符为单位(1字符 = 2字节)做数据的传输

“字符流的本质也是通过字节流读取，Java 中的字符采用 Unicode 标准，在读取和输出的过程中，通过以字符为单位，查找对应的码表将字节转换为对应的字符。”

面对字节流和字符流，很多读者都有疑惑：什么时候需要用字节流，什么时候又要用字符流?

我这里做一个简单的概括，你可以按照这个标准去使用：

字符流只针对字符数据进行传输，所以如果是文本数据，优先采用字符流传输;除此之外，其它类型的数据(图片、音频等)，最好还是以字节流传输。

根据这两种不同的分类，我们就可以做出下面这个表格，里面包含了 IO 中最核心的 4 个顶层抽象类：

现在看 IO 是不是有一些思路了，不会觉得很混乱了，我们来看这四个类下的所有成员。

[来自于 cxuan 的 《Java基础核心总结》]

看到这么多的类是不是又开始觉得混乱了，不要慌，字节流和字符流下的输入流和输出流大部分都是一一对应的，有了上面的表格支撑，我们不需要再担心看见某个类会懵逼的情况了。

看到 Stream 就知道是字节流，看到 Reader / Writer 就知道是字符流。

这里还要额外补充一点：Java IO 提供了字节流转换为字符流的转换类，称为转换流。

注意字节流与字符流之间的转换是有严格定义的：

• 输入流：可以将字节流 => 字符流
• 输出流：可以将字符流 => 字节流

为什么在输入流不能字符流 => 字节流，输出流不能字节流 => 字符流?

“在存储设备上，所有数据都是以字节为单位存储的，所以输入到内存时必定是以字节为单位输入，输出到存储设备时必须是以字节为单位输出，字节流才是计算机最根本的存储方式，而字符流是在字节流的基础上对数据进行转换，输出字符，但每个字符依旧是以字节为单位存储的。”

节点流和处理流

在这里需要额外插入一个小节讲解节点流和处理流。

• 节点流：节点流是真正传输数据的流对象，用于向特定的一个地方(节点)读写数据，称为节点流。例如 FileInputStream
• 处理流：处理流是对节点流的封装，使用外层的处理流读写数据，本质上是利用节点流的功能，外层的处理流可以提供额外的功能。处理流的基类都是以 Filter 开头。

上图将 ByteArrayInputStream封装成 DataInputStream，可以将输入的字节数组转换为对应数据类型的数据。例如希望读入int类型数据，就会以2个字节为单位转换为一个数字。

Java IO 的核心类 File

Java 提供了 File类，它指向计算机操作系统中的文件和目录，通过该类只能访问文件和目录，无法访问内容。它内部主要提供了 3 种操作：

• 访问文件的属性：绝对路径、相对路径、文件名······
• 文件检测：是否文件、是否目录、文件是否存在、文件的读/写/执行权限······
• 操作文件：创建目录、创建文件、删除文件······

上面举例的操作都是在开发中非常常用的，File 类远不止这些操作，更多的操作可以直接去 API 文档中根据需求查找。

访问文件的属性：

文件检测：

操作文件：

多了解一些

文件的读/写/执行权限，在 Windows 中通常表现不出来，而在 Linux 中可以很好地体现这一点，原因是 Linux 有严格的用户权限分组，不同分组下的用户对文件有不同的操作权限，所以这些方法在 Linux 下会比在 Windows 下更好理解。下图是 redis 文件夹中的一些文件的详细信息，被红框标注的是不同用户的执行权限：

• r(Read)：代表该文件可以被当前用户读，操作权限的序号是 4
• w(Write)：代表该文件可以被当前用户写，操作权限的序号是 2
• x(Execute)：该文件可以被当前用户执行，操作权限的序号是 1

root root 分别代表：当前文件的所有者，当前文件所属的用户分组。Linux 下文件的操作权限分为三种用户：

• 文件所有者：拥有的权限是红框中的前三个字母，-代表没有某个权限
• 文件所在组的所有用户：拥有的权限是红框中的中间三个字母
• 其它组的所有用户：拥有的权限是红框中的最后三个字母

Java IO 流对象

回顾流的分类有2种：

• 根据数据流向分为输入流和输出流
• 根据数据类型分为字节流和字符流

所以，本小节将以字节流和字符流作为主要分割点，在其内部再细分为输入流和输出流进行讲解。

字节流对象

字节流对象大部分输入流和输出流都是成双成对地出现，所以学习的时候可以将输入流和输出流一一对应的流对象关联起来，输入流和输出流只是数据流向不同，而处理数据的方式可以是相同的。

注意不要认为用什么流读入数据，就需要用对应的流写出数据，在 Java 中没有这么规定，下图只是各个对象之间的一个对应关系，不是两个类使用时必须强制关联使用。

“下面有非常多的类，我会介绍基类的方法，了解这些方法是非常有必要的，子类的功能基于父类去扩展，只有真正了解父类在做什么，学习子类的成本就会下降。”

InputStream

InputStream 是字节输入流的抽象基类，提供了通用的读方法，让子类使用或重写它们。下面是 InputStream 常用的重要的方法。

还有其它一些不太常用的方法，我也列出来了。

(1)ByteArrayInputStream

ByteArrayInputStream 内部包含一个 buf 字节数组缓冲区，该缓冲区可以从流中读取的字节数，使用 pos 指针指向读取下一个字节的下标位置，内部还维护了一个count 属性，代表能够读取 count 个字节。

bytearrayinputstream

“必须保证 pos 严格小于 count，而 count 严格小于 buf.length 时，才能够从缓冲区中读取数据”

(2)FileInputStream

文件输入流，从文件中读入字节，通常对文件的拷贝、移动等操作，可以使用该输入流把文件的字节读入内存中，然后再利用输出流输出到指定的位置上。

(3)PipedInputStream

管道输入流，它与 PipedOutputStream 成对出现，可以实现多线程中的管道通信。PipedOutputStream 中指定与特定的 PipedInputStream 连接，PipedInputStream 也需要指定特定的 PipedOutputStream 连接，之后输出流不断地往输入流的 buffer 缓冲区写数据，而输入流可以从缓冲区中读取数据。

(4)ObjectInputStream

对象输入流，用于对象的反序列化，将读入的字节数据反序列化为一个对象，实现对象的持久化存储。

(5)PushBackInputStream

它是 FilterInputStream 的子类，是一个处理流，它内部维护了一个缓冲数组buf。

• 在读入字节的过程中可以将读取到的字节数据回退给缓冲区中保存，下次可以再次从缓冲区中读出该字节数据。所以PushBackInputStream 允许多次读取输入流的字节数据，只要将读到的字节放回缓冲区即可。

需要注意的是如果回推字节时，如果缓冲区已满，会抛出 IOException异常。

它的应用场景：对数据进行分类规整。

假如一个文件中存储了数字和字母两种类型的数据，我们需要将它们交给两种线程各自去收集自己负责的数据，如果采用传统的做法，把所有的数据全部读入内存中，再将数据进行分离，面对大文件的情况下，例如1G、2G，传统的输入流在读入数组后，由于没有缓冲区，只能对数据进行抛弃，这样每个线程都要读一遍文件。

使用 PushBackInputStream 可以让一个专门的线程读取文件，唤醒不同的线程读取字符：

• 第一次读取缓冲区的数据，判断该数据由哪些线程读取
• 回退数据，唤醒对应的线程读取数据
• 重复前两步
• 关闭输入流

到这里，你是否会想到 AQS 的 Condition 等待队列，多个线程可以在不同的条件上等待被唤醒。

(6)BufferedInputStream

缓冲流，它是一种处理流，对节点流进行封装并增强，其内部拥有一个 buffer 缓冲区，用于缓存所有读入的字节，当缓冲区满时，才会将所有字节发送给客户端读取，而不是每次都只发送一部分数据，提高了效率。

(7)DataInputStream

数据输入流，它同样是一种处理流，对节点流进行封装后，能够在内部对读入的字节转换为对应的 Java 基本数据类型。

(8)SequenceInputStream

将两个或多个输入流看作是一个输入流依次读取，该类的存在与否并不影响整个 IO 生态，在程序中也能够做到这种效果

(9)StringBufferInputStream

将字符串中每个字符的低 8 位转换为字节读入到字节数组中，目前已过期

InputStream 总结：

• InputStream 是所有输入字节流的抽象基类
• ByteArrayInputStream 和 FileInputStream 是两种基本的节点流，他们分别从字节数组 和 本地文件中读取数据
• DataInputStream、BufferedInputStream 和 PushBackInputStream 都是处理流，对基本的节点流进行封装并增强
• PipiedInputStream 用于多线程通信，可以与其它线程公用一个管道，读取管道中的数据。
• ObjectInputStream 用于对象的反序列化，将对象的字节数据读入内存中，通过该流对象可以将字节数据转换成对应的对象

OutputStream

OutputStream 是字节输出流的抽象基类，提供了通用的写方法，让继承的子类重写和复用。

OutputStream 中大多数的类和 InputStream 是对应的，只不过数据的流向不同而已。从上面的图可以看出：

• OutputStream 是所有输出字节流的抽象基类
• ByteArrayOutputStream 和 FileOutputStream 是两种基本的节点流，它们分别向字节数组和本地文件写出数据
• DataOutputStream、BufferedOutputStream 是处理流，前者可以将字节数据转换成基本数据类型写出到文件中;后者是缓冲字节数组，只有在缓冲区满时，才会将所有的字节写出到目的地，减少了 IO 次数。
• PipedOutputStream 用于多线程通信，可以和其它线程共用一个管道，向管道中写入数据
• ObjectOutputStream 用于对象的序列化，将对象转换成字节数组后，将所有的字节都写入到指定位置中
• PrintStream 在 OutputStream 基础之上提供了增强的功能，即可以方便地输出各种类型的数据(而不仅限于byte型)的格式化表示形式，且 PrintStream 的方法从不抛出 IOEception，其原理是写出时将各个数据类型的数据统一转换为 String 类型，我会在讲解完

字符流对象

字符流对象也会有对应关系，大多数的类可以认为是操作的数据从字节数组变为字符，类的功能和字节流对象是相似的。

“字符输入流和字节输入流的组成非常相似，字符输入流是对字节输入流的一层转换，所有文件的存储都是字节的存储，在磁盘上保留的不是文件的字符，而是先把字符编码成字节，再保存到文件中。在读取文件时，读入的也是一个一个字节组成的字节序列，而 Java 虚拟机通过将字节序列，按照2个字节为单位转换为 Unicode 字符，实现字节到字符的映射。”

Reader

Reader 是字符输入流的抽象基类，它内部的重要方法如下所示。

还有其它一些额外的方法，与字节输入流基类提供的方法是相同的，只是作用的对象不再是字节，而是字符。

• Reader 是所有字符输入流的抽象基类
• CharArrayReader 和 StringReader 是两种基本的节点流，它们分别从读取 字符数组和 字符串 数据，StringReader 内部是一个 String 变量值，通过遍历该变量的字符，实现读取字符串，本质上也是在读取字符数组
• PipedReader 用于多线程中的通信，从共用地管道中读取字符数据
• BufferedReader 是字符输入缓冲流，将读入的数据放入字符缓冲区中，实现高效地读取字符
• InputStreamReader 是一种转换流，可以实现从字节流转换为字符流，将字节数据转换为字符

Writer

Reader 是字符输出流的抽象基类，它内部的重要方法如下所示。

• Writer 是所有的输出字符流的抽象基类
• CharArrayWriter、StringWriter 是两种基本的节点流，它们分别向Char 数组、字符串中写入数据。StringWriter 内部保存了 StringBuffer 对象，可以实现字符串的动态增长
• PipedWriter 可以向共用的管道中写入字符数据，给其它线程读取。
• BufferedWriter 是缓冲输出流，可以将写出的数据缓存起来，缓冲区满时再调用 flush() 写出数据，减少 IO 次数。
• PrintWriter 和 PrintStream 类似，功能和使用也非常相似，只是写出的数据是字符而不是字节。
• OutputStreamWriter 将字符流转换为字节流，将字符写出到指定位置

字节流与字符流的转换

从任何地方把数据读入到内存都是先以字节流形式读取，即使是使用字符流去读取数据，依然成立，因为数据永远是以字节的形式存在于互联网和硬件设备中，字符流是通过字符集的映射，才能够将字节转换为字符。

所以 Java 提供了两种转换流：

• InputStreamReader：从字节流转换为字符流，将字节数据转换为字符数据读入到内存
• OutputStreamWriter：从字符流转换为字节流，将字符数据转换为字节数据写出到指定位置

“

了解了 Java 传统的 BIO 中字符流和字节流的主要成员之后，至少要掌握以下两个关键点：

(1)传统的 BIO 是以流为基本单位处理数据的，想象成水流，一点点地传输字节数据，IO 流传输的过程永远是以字节形式传输。

(2)字节流和字符流的区别在于操作的数据单位不相同，字符流是通过将字节数据通过字符集映射成对应的字符，字符流本质上也是字节流。

”

接下来我们再继续学习 NIO 知识，NIO 是当下非常火热的一种 IO 工作方式，它能够解决传统 BIO 的痛点：阻塞。

• BIO 如果遇到 IO 阻塞时，线程将会被挂起，直到 IO 完成后才唤醒线程，线程切换带来了额外的开销。
• BIO 中每个 IO 都需要有对应的一个线程去专门处理该次 IO 请求，会让服务器的压力迅速提高。

我们希望做到的是当线程等待 IO 完成时能够去完成其它事情，当 IO 完成时线程可以回来继续处理 IO 相关操作，不必干干的坐等 IO 完成。在 IO 处理的过程中，能够有一个专门的线程负责监听这些 IO 操作，通知服务器该如何操作。所以，我们聊到 IO，不得不去接触 NIO 这一块硬骨头。

新潮的 NIO

我们来看看 BIO 和 NIO 的区别，BIO 是面向流的 IO，它建立的通道都是单向的，所以输入和输出流的通道不相同，必须建立2个通道，通道内的都是传输==0101001···==的字节数据。

而在 NIO 中，不再是面向流的 IO 了，而是面向缓冲区，它会建立一个通道(Channel)，该通道我们可以理解为铁路，该铁路上可以运输各种货物，而通道上会有一个缓冲区(Buffer)用于存储真正的数据，缓冲区我们可以理解为一辆火车。

通道(铁路)只是作为运输数据的一个连接资源，而真正存储数据的是缓冲区(火车)。即通道负责传输，缓冲区负责存储。

理解了上面的图之后，BIO 和 NIO 的主要区别就可以用下面这个表格简单概括。

缓冲区(Buffer)

缓冲区是存储数据的区域，在 Java 中，缓冲区就是数组，为了可以操作不同数据类型的数据，Java 提供了许多不同类型的缓冲区，除了布尔类型以外，其它基本数据类型都有对应的缓冲区数组对象。

“为什么没有布尔类型的缓冲区呢?

在 Java 中，boolean 类型数据只占用 1 bit，而在 IO 传输过程中，都是以字节为单位进行传输的，所以 boolean 的 1 bit 完全可以使用 byte 类型的某一位，或者 int 类型的某一位来表示，没有必要为了这 1 bit 而专门提供多一个缓冲区。”

分配一个缓冲区的方式都高度一致：使用allocate(int capacity)方法。

例如需要分配一个 1024 大小的字节数组，代码就是下面这样子。

 
 
 
 
  
  
  
  
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); 
 
 
 

缓冲区读写数据的两个核心方法：

• put()：将数据写入到缓冲区中
• get()：从缓冲区中读取数据

缓冲区的重要属性：

• capacity：缓冲区中最大存储数据的容量，一旦声明则无法改变
• limit：表示缓冲区中可以操作数据的大小，limit 之后的数据无法进行读写。必须满足 limit <= capacity
• position：当前缓冲区中正在操作数据的下标位置，必须满足 position <= limit
• mark：标记位置，调用 reset() 将 position 位置调整到 mark 属性指向的下标位置，实现多次读取数据

缓冲区为高效读写数据而提供的其它辅助方法：

• flip()：可以实现读写模式的切换，我们可以看看里面的源码

 
 
 
 
  
  
  
  
public final Buffer flip() { 
  
  
  
  
    limit = position; 
  
  
  
  
    position = 0; 
  
  
  
  
    mark = -1; 
  
  
  
  
    return this; 
  
  
  
  
} 
 
 
 

调用 flip() 会将可操作的大小 limit 设置为当前写的位置，操作数据的起始位置 position 设置为 0，即从头开始读取数据。

• rewind()：可以将 position 位置设置为 0，再次读取缓冲区中的数据
• clear()：清空整个缓冲区，它会将 position 设置为 0，limit 设置为 capacity，可以写整个缓冲区

“更多的方法可以去查阅 API 文档，本文碍于篇幅原因就不贴出其它方法了，主要是要理解缓冲区的作用”

我们来看一个简单的例子

 
 
 
 
  
  
  
  
public Class Main { 
  
  
  
  
    public static void main(String[] args) { 
  
  
  
  
         // 分配内存大小为11的整型缓存区 
  
  
  
  
        IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(11); 
  
  
  
  
        // 往buffer里写入2个整型数据 
  
  
  
  
        for (int i = 0; i < 2; ++i) { 
  
  
  
  
            int randomNum = new SecureRandom().nextInt(); 
  
  
  
  
            buffer.put(randomNum); 
  
  
  
  
        } 
  
  
  
  
        // 将Buffer从写模式切换到读模式 
  
  
  
  
        buffer.flip(); 
  
  
  
  
        System.out.println("position >> " + buffer.position() 
  
  
  
  
                           + "limit >> " + buffer.limit()  
  
  
  
  
                           + "capacity >> " + buffer.capacity()); 
  
  
  
  
        // 读取buffer里的数据 
  
  
  
  
        while (buffer.hasRemaining()) { 
  
  
  
  
            System.out.println(buffer.get()); 
  
  
  
  
        } 
  
  
  
  
        System.out.println("position >> " + buffer.position() 
  
  
  
  
                           + "limit >> " + buffer.limit()  
  
  
  
  
                           + "capacity >> " + buffer.capacity()); 
  
  
  
  
    } 
  
  
  
  
} 
 
 
 

执行结果如下图所示，首先我们往缓冲区中写入 2 个数据，position 在写模式下指向下标 2，然后调用 flip() 方法切换为读模式，limit 指向下标 2，position 从 0 开始读数据，读到下标为 2 时发现到达 limit 位置，不可继续读。

整个过程可以用下图来理解，调用 flip() 方法以后，读出数据的同时 position 指针不断往后挪动，到达 limit 指针的位置时，该次读取操作结束。

“介绍完缓冲区后，我们知道它是存储数据的空间，进程可以将缓冲区中的数据读取出来，也可以写入新的数据到缓冲区，那缓冲

文章题目：为什么一个还没毕业的大学生能够把 IO 讲的这么好？
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