目录
0.前言
个人学习、整理和记录Java IO相关知识点用。其中大部分内容来自以下地址，表示感谢。
CS-Notes
1.概览
Java的IO大概可以分为以下几类：
磁盘操作：File；
字节操作：InputStream和OutputStream；
字符操作：Reader和Writer；
对象操作：Serializable；
网络操作：Socket；
新的输入输出：NIO。
2.详细介绍
2.1 磁盘操作
File类可以用于表示文件和目录的信息，但是它不表示文件的内容。
2.2 字节操作
使用下面的代码实现文件复制：
public static void copyFile(String src, String dist) throws IOException {
FileInputStream in = new FileInputStream(src);
FileOutputStream out = new FileOutputStream(dist);
byte[] buffer = new byte[20 * 1024];
int cnt;
// read() 最多读取 buffer.length 个字节
// 返回的是实际读取的个数
// 返回 -1 的时候表示读到 eof，即文件尾
while ((cnt = in.read(buffer, 0, buffer.length)) != -1) {
out.write(buffer, 0, cnt);
}
in.close();
out.close();
}
Java I/O使用了装饰者模式来实现。以InputStream为例
InputStream是抽象组件；
FileInputStream是InputStream的子类，属于具体组件，提供了字节流的输入操作；
FilterInputStream属于抽象装饰者，装饰者用于装饰组件，为组件提供额外的功能。例如BufferedInputStream为FileInputStream提供缓存的功能。
实例化一个具有缓存功能的字节流对象时，只需要在FileInputStream对象上再套一层BufferedInputStream对象即可。
DataInputStream装饰者提供了对更多数据类型进行输入的操作，比如int、double等基本类型。
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(filePath);
BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(fileInputStream);
2.3 字符操作
编码与解码
编码就是把字符串转换为字节，而解码是把字节重新组合成字符。如果编码和解码过程使用不同的编码方式，那么就会出现乱码。
GBK编码中，中文字符占2个字节，英文字符占1个字节；
UTF-8编码中，中文字符占3个字节，英文字符占1个字节；
UTF-16be编码中，中文和英文字符都占2个字节。UTF-16be中的be指的是Big Endian，也就是大端。相应地也有UTF-16le，le指的是Little Endian，也就是小端。
Java的内存编码使用双字节编码UTF-16be，这不是指Java只支持这一种编码方式，而是说char这种类型使用UTF-16be进行编码。char类型占16位，也就是两个字节，Java使用这种双字节编码是为了让一个中文或者一个英文都能使用一个char来存储。
String的编码方式
String可以看成一个字符序列，可以指定一个编码方式将它编码为字节序列，也可以指定一个编码方式将一个字节序列解码为String。
String str1 = "中文";
byte[] bytes = str1.getBytes("UTF-8");
String str2 = new String(bytes, "UTF-8");
System.out.println(str2);
在调用无参数getBytes()方法时，默认的编码方式不是UTF-16be。双字节编码的好处是可以使用一个char存储中文和英文，而将String转为bytes[]字节数组就不需要这个好处，因此也就不再需要双字节编码。getBytes()的默认编码方式与平台有关，一般为UTF-8。
byte[] bytes = str1.getBytes();
Reader和Writer
不管是磁盘还是网络传输，最小的存储单元都是字节，而不是字符。但是在程序中操作的通常是字符形式的数据，因此需要提供对字符进行操作的方法。
InputStreamReader实现从字节流解码成字符流；
OutoutStreamWriter实现字符流编码成字节流。
下面的代码，实现了逐行输出文本文件的内容
public static void readFileContent(String filePath) throws IOException {
FileReader fileReader = new FileReader(filePath);
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(fileReader);
String line;
while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) {
System.out.println(line);
}
// 装饰者模式使得 BufferedReader 组合了一个 Reader 对象
// 在调用 BufferedReader 的 close() 方法时会去调用 Reader 的 close() 方法
// 因此只要一个 close() 调用即可
bufferedReader.close();
}
2.4 对象操作
序列化
序列化就是将一个对象转换成字节序列，方便存储和传输。
序列化：ObjectOutputStream.writeObject()
反序列化：ObjectInputStream.readObject()
不会对静态变量进行序列化，因为序列化只是保存对象的状态，静态变量属于类的状态。
Serializable
序列化的类需要实现Serializable接口，它只是一个标准，没有任何方法需要实现，但是如果不去实现它就进行序列化，会抛出异常。
transient
transient关键字修饰的属性，不会被序列化。比如ArrayList中存储数据的数组elementData是用transient修饰的，因为这个数组是动态扩展的，并不是所有的空间都被使用，因此不需要所有的内容都被序列化。通过重写序列化的反序列化方法，使得可以只序列化数组中有内容的那部分数据。
private transient Object[] elementData;
2.5 网络操作
Java中的网络支持：
InetAddress：用于表示网络上的硬件资源，即IP地址；
URL：统一资源定位符；
Sockets：使用TCP协议实现网络通信；
Datagram：使用UDP协议实现网络通信。
InetAddress
没有公有的构造函数，只能通过静态方法来创建实例。
InetAddress.getByName(String host);
InetAddress.getByAddress(byte[] address);
URL
可以直接从URL中读取字节流数据。
public static void main(String[] args) throws IOException {
URL url = new URL("http://www.baidu.com");
/* 字节流 */
InputStream is = url.openStream();
/* 字符流 */
InputStreamReader isr = new InputStreamReader(is, "utf-8");
/* 提供缓存功能 */
BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
String line;
while ((line = br.readLine()) != null) {
System.out.println(line);
}
br.close();
}
Sockets
ServerSocket：服务器端类
Socket：客户端类
服务器和客户端通过InputStream和OutoutStream进行输入输出。
Datagram
DatagramSocket：通信类
DatagramPacket：数据包类
2.6 NIO
NIO即New IO，新的输入/输出，是在JDK4中引入的，弥补了原来的IO的不足，提供了高速的，面向块的IO。
流与块
IO和NIO最重要的区别是数据打包和传输的方式，IO以流的方式处理数据，而NIO以块的方式处理数据。
面向流的IO一次处理一个字节数据：一个输入流产生一个字节数据，一个输出流消费一个字节数据。为流式数据创建过滤器非常容易，链接几个过滤器，以便每个过滤器只负责复杂处理机制的一部分。不利的一面是，面向流的IO通常相对慢。
面向块的IO一次处理一个数据块，按块处理数据比按流处理数据要快得多。但是面向块的IO缺少一些面向流的IO所具有的优雅性和简单性。
IO包和NIO已经很好地集成了，java.io.*已经以NIO为基础重新实现了，所以现在它可以利用NIO的一些特性。例如，java.io.*包中的一些类包含以块的形式读写数据的方法，这使得即使在面向流的系统中，处理速度也会更快。
通道与缓冲区
通道
通道Channel是对原IO包中的流的模拟，可以通过它读取和写入数据。
通道与流的不同之处在于，流只能在一个方向上移动（一个流必须是InputStream或者OutputStream的子类），而通道是双向的，可以用于读、写或者同时读写。
通道包括以下类型：
FileChannel：从文件中读写数据；
DatagramChannel：通过UDP读写网络中数据；
SocketChannel：通过TCP读写网络中数据；
ServerSocketChannel：可以监听新进来的TCP连接，对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。
缓冲区
发送给一个通道的所有数据都必须首先放到缓冲区中，同样地，从通道中读取的任何数据都要先读到缓冲区中。也就是说，不会直接对通道进行读写数据，而是要先经过缓冲区。
缓冲区实质上是一个数组，但它不仅仅是一个数组。缓冲区提供了对数据的结构化访问，而且还可以跟踪系统的读写进程。
缓冲区状态变量：
capacity：最大容量；
position：当前已经读写的字节数；
limit：还可以读写的字节数；
状态变量的改变过程举例：
①新建一个大小为8个字节的缓冲区，此时position为0，而limit=capacity=8。capacity变量不会改变，下面的讨论会忽略他。
②从输入通道中读取5个字节数据写入缓冲区，此时position为5，limit保持不变。
③在将缓冲区的数据写到输出通道之前，需要先调用flip()方法，这个方法将limit设置为当前position，并将position设置为0。
④从缓冲区中取4个字节到输出缓冲中，此时position设为4。
⑤最后需要调用clear()方法来清空缓冲区，此时position和limit都被设置为最初位置。
文件NIO实例
以下展示了使用NIO快速复制文件的实例：
public static void fastCopy(String src, String dist) throws IOException {
/* 获得源文件的输入字节流 */
FileInputStream fin = new FileInputStream(src);
/* 获取输入字节流的文件通道 */
FileChannel fcin = fin.getChannel();
/* 获取目标文件的输出字节流 */
FileOutputStream fout = new FileOutputStream(dist);
/* 获取输出字节流的文件通道 */
FileChannel fcout = fout.getChannel();
/* 为缓冲区分配 1024 个字节 */
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
while (true) {
/* 从输入通道中读取数据到缓冲区中 */
int r = fcin.read(buffer);
/* read() 返回 -1 表示 EOF */
if (r == -1) {
break;
}
/* 切换读写 */
buffer.flip();
/* 把缓冲区的内容写入输出文件中 */
fcout.write(buffer);
/* 清空缓冲区 */
buffer.clear();
}
}
选择器
NIO常常被叫做非阻塞IO，主要是因为NIO在网络通信中的非阻塞特性被广泛使用。
NIO实现了IO多路复用中的Reactor模型，一个线程Thread使用一个选择器Selector通过轮询的方式去监听多个通道Channel上的事件，从而让一个线程就可以处理多个事件。
通过配置监听的通道Channel为非阻塞，那么当Channel上的IO事件还未到达时，就不会进入阻塞状态一直等待，而是继续轮询其他Channel，找到IO事件已经到达的Channel执行。
因为创建和切换线程的开销很大，因此使用一个线程来处理多个事件，而不是一个线程处理一个事件，对于IO密集型的应用具有很好的性能。
需要注意的是，只有套接字Channel才能配置为非阻塞，而FileChannel不能，因为FileChannel配置非阻塞没有意义。
创建选择器代码
Selector selector = Selector.open();
将通道注册到选择器上的代码
ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
ssChannel.configureBlocking(false);
ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
通道必须配置为非阻塞模式，否则使用选择器就没有任何意义了，因为如果通道在某个事件上被阻塞，那么服务器就不能响应其他事件，必须等待这个事件处理完毕才能去处理其他事件，显然这和选择器的作用背道而驰。
在将通道注册到选择器上时，还需要指定注册的具体事件，主要有以下几类：
SelectionKey.OP_CONNECT SelectionKey.OP_ACCEPT SelectionKey.OP_READ SelectionKey.OP_WRITE。
使用select()来监听到达的事件，他会一直阻塞直到有至少一个事件到达。
int num = selector.select();
获取到达的事件
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if (key.isAcceptable()) {
// ...
} else if (key.isReadable()) {
// ...
}
keyIterator.remove();
}
事件循环
因为一次select()调用不能处理完所有的事件，并且服务器端有可能需要一直监听事件，因此服务器端处理事件的代码一般放在一个死循环内。
while (true) {
int num = selector.select();
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if (key.isAcceptable()) {
// ...
} else if (key.isReadable()) {
// ...
}
keyIterator.remove();
}
}
套接字NIO实例
public class NIOServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open();
ssChannel.configureBlocking(false);
ssChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
ServerSocket serverSocket = ssChannel.socket();
InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888);
serverSocket.bind(address);
while (true) {
selector.select();
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = keys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel ssChannel1 = (ServerSocketChannel) key.channel();
// 服务器会为每个新连接创建一个 SocketChannel
SocketChannel sChannel = ssChannel1.accept();
sChannel.configureBlocking(false);
// 这个新连接主要用于从客户端读取数据
sChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
SocketChannel sChannel = (SocketChannel) key.channel();
System.out.println(readDataFromSocketChannel(sChannel));
sChannel.close();
}
keyIterator.remove();
}
}
}
private static String readDataFromSocketChannel(SocketChannel sChannel) throws IOException {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
StringBuilder data = new StringBuilder();
while (true) {
buffer.clear();
int n = sChannel.read(buffer);
if (n == -1) {
break;
}
buffer.flip();
int limit = buffer.limit();
char[] dst = new char[limit];
for (int i = 0; i < limit; i++) {
dst[i] = (char) buffer.get(i);
}
data.append(dst);
buffer.clear();
}
return data.toString();
}
}
public class NIOClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8888);
OutputStream out = socket.getOutputStream();
String s = "hello world";
out.write(s.getBytes());
out.close();
}
}
内存映射文件
内存映射文件IO是一种读和写文件数据的方法，它可以比常规的基于流或者基于通道的IO快很多。
向内存映射文件写入可能是危险的，只是改变数组的单个元素这样的简单操作，就可能会直接修改磁盘上的文件。修改数据与将数据保存到磁盘是没有分开的。
下面的代码行将文件的前1024个字节映射到内存中，map()方法返回一个MappedByteBuffer，它是ByteBuffer的子类。因此，可以像使用其他任何ByteBuffer一样使用新映射的缓冲区，操作系统会在需要时负责执行映射。
MappedByteBuffer mbb = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);
对比
NIO和普通IO的区别主要有：
NIO是非阻塞的；
NIO面向块，IO面向流。