[Java知识库]Java学习（BIO编程、NIO、AIO及其区别）

BIO编程

使用统一接口进行操作，具体实现细节无关

字节流

InputStream和OutputStream，都实现了Closeable接口，所以支持try-resources

InputStream操作用于实现数据的读取操作

• read():int 注意这里只是读取一个字节，0-255之间，-1表示流结束

• read(byte[]):int 返回值表示读取的具体字节个数，-1流结束

• close():void 关闭流

• 另外不重要的方法 read(byte[],int,int) available() skip(long)

OutputStream操作方法用于实现数据的写出操作

• write(int):void 写出一个字节，int的低8位

• write(byte[]具体数据，int起始下标，int长度):void

• close():void 关闭流

• 不重要的方法write(byte[])、flush()

字符流

顶级父抽象类Reader和Writer，一次一字符的操作，实现了Closeable接口。如果涉及中文信息，则需

要考虑编码字符集的问题，如果编码字符集错误，则显示乱码

Reader用于封装字符读取操作

• read():int 返回读取到的字符数据，0-65535 2B，返回-1 表示流末尾

• read(char[]):int 返回读取的字符个数，流结束返回-1

• close():void 关闭流

Writer用于封装字符写出操作

• write(int):void 写出低16位

• write(char[]数据，int起始下标，int写出的字符数):void

• close():void 关闭流，释放资源

• write(String):void 写出一个字符串内容到输出流中

节点流

文件流

FileInputStream和FileReader用于从一个文件中读取数据；FileOutputStream和FileWriter用于向一个

文件中写出数据

FileInputStream文件输入字节流，FileReader文件输入字符流，用法类似

• FileInputStream(“文件名称”)，如果文件不存在则FileNotFoundException

• FileInputStream(File)

FileOutputStreram文件输出字节流，FileWriter文件输出字符流，用法类似

• FileOutputStream(“文件名称”)；如果文件不存在，则自动创建；如果文件存在则执行覆盖原文件内容

• FileOutputStream(“文件名称”,boolean是否采用追加方式)；如果文件不存在，则自动创建；如果文件存在并且Boolean参数为true则表示采用追加的方式处理

NIO

NIO是采用内存映射文件的方式处理输出输出，可以将文件或者文件的一段区域映射到内存中，然后就

可以像访问内存一样来访问文件，所以进行输入输出的速度比BIO快的多

• BIO是同步阻塞式；NIO是同步非阻塞式

• BIO是面向流的，NIO是面向缓冲区的

• NIO是一个线程从某个通道发送读取请求时，仅仅获取当前可以用的数据不会保持阻塞等待

NIO基础

NIO中由3个核心对象Channel通道、Buffer缓冲和Selector多路复用器

• Channel是对传统输入输出系统的模拟，可以通过map方法将一块数据映射到内存中

• Buffer本质上就是一个数组，发送到Channel中的所有数据都先放入到buffer中，针对基本数据类型提供7种不同的buffer，没有boolean类型没有

• selector多路复用器，针对事件进行选择，实现一对多的连接效果

Buffer抽象类

Buffer主要作用就是用于转入数据，然后输出数据。最基本的实现是ByteBuffer，可以在字节数组上进行 get/set操作；另外针对基本数据类型，系统提供了7种具体的实现，例如CharBuffer、ShortBuffer、DoubleBuffer

• 静态方法allocate(int capacity)创建一个容积为capacity的xxxBuffer对象

buffer有3个核心概念：容积capacity、界限limit和位置position

• capacity表示该buffer的最大数据容量，一旦创建对象则不能修改

• limit表示位于limit之后的数据既不可读，也可写

• position表示下一次可读写的索引位置

• mark标记特定位置，需要注意只能在0到position之间

常用方法

• capacity():int 返回buffer的容积值

• hasRemaining():boolean 判断是否还有数据可以进行处理

• remaing():int 获取position当前位置和limit界限之间的元素个数

• position():int 返回当前的操作位置

• mark():Buffer 设置标记位置，已被后面重返这个位置

• reset():Buffer 将位置position重新返回到mark所在为位置

• rewind():Buffer 将position重新设置到0，并取消mark标记

• put(obj) :xxxBuffer 用于向buffer中添加数据

• get():xxx 用于从buffer中获取数据

Channel通道

Channel可以直接将文件的部分或者全部映射到 buffer中。注意不能直接访问Channel中的数据，包括读写都不行，Channel只能与buffer进行交互

• 所有的Channel不应该使用构造器来直接创建，而是通过传统的InputStream\OutputStream的getChannel方法获取。一般使用FileInputStream和FileOutputStream中的 getChannel获取

selector

是Java NIO核心组件中的一个，用于检查一个或多个NIO Channel通道的状态是否处于可读、可写。如此可以实现单线程管理多个channels也就是可以管理多个网络链接。

使用Selector的好处在于： 使用更少的线程来就可以来处理通道了， 相比使用多个线程，避免了线程上下文切换带来的开销

• FileChannel不能切换为非阻塞模式，更准确的来说是因为FileChannel没有继承SelectableChannel

• 多用于网络应用编程中

基本用法

1. Selector的创建。通过调用Selector.open()方法创建一个Selector对象

   Selector selector = Selector.open(); 
   

2. 注册Channel到Selector

   channel.configureBlocking(false); 
   SelectionKey key = channel.register(selector, Selectionkey.OP_READ); 
   

   Channel必须是非阻塞的。

3. 轮询方式获取选择器上的状态值

   while(selector.select()>0){ 
   	Iterator<SelectionKey> it=selector.selectedKeys().iterator(); 
   	... 
   } 
   

Charset字符集

所有的文件底层都是二进制数据存储的，字符文件是系统将底层的二进制序列转换为字符，这里一定会涉及编码字符集和对应的编码器和解码器

• 将明文的字符序列转换为计算机理解的二进制序列称为编码

• 将二进制序列转换为明文字符串称为解码

Charset类

Charset.availableCharsets()获取当前JDK所支持的所有字符集

//获取当前JDK所支持的所有字符集 
SortedMap<String, Charset> sm = Charset.availableCharsets(); 
for(String tmp:sm.keySet()) { 
	System.out.println(tmp); 
}

字符串别名：

• GBK简体中文 GB2312

• ISO-8859-1 拉丁文 欧洲的所有编码

• UTF-8 变长编码，支持中文，实际上是Unicode编码的一种实现

构建对象

Charset c=Charset.forName("GBK");

文件锁FileLock

文件锁用于阻止多个进程并发修改同一个文件

在NIO中提供了FileLock支持文件锁定功能

• 在FileChannel中提供了lock/tryLock方法可以获取文件锁对象以实现锁定文件，避免同时修改

  • lock()用于锁定某个文件，如果无法获取文件锁，则程序一直阻塞等待
  • tryLock()是尝试锁定文件，如果可以锁定则直接返回该文件锁，如果不能锁定也是立即返回null，不会出现阻塞等待

• 锁可以是排它锁或者共享锁，shared=true表示共享，允许多个进程同时读取文件，但是会阻止其它进程获取该文件的排他锁

文件锁是建议性质，不是强制性。

AIO

异步非阻塞式

JDK7新增了一些和文件、网络IO相关的API，AIO最大的特性就是异步处理能力，一般用于网络编程和大文件IO处理中。AIO其实就是一种在读写操作结束之前允许执行其它操作的IO处理，等读写执行完毕自动通知调用后续处理

提供了3个异步处理通道

• AsynchronousFileChannel用于文件的异步读写

• AsynchronousSocketChannel用于socket客户端异步读写

• AsynchronousServerSocketChannel用于serverSocket服务端异步读写

异步无非是通知系统做一件事情，然后自己做其它事情，异步调用如何进行后续处理，处理方式有2种：

• 将来式，主线程发起异步请求，轮询并等待结果使用

• 回调式，异步回调

AIO的具体实施需要充分调用操作系统OS参与，IO需要OS支持，并发也同样需要OS支持，所以OS不同时执行执行性能方便差异会比较明显，因此在具体的应用种AIO使用并不是很广泛

BIO vs NIO vs AIO

概念

BIO：同步阻塞，实现模式为一个连接一个线程，就是客户端连接请求时，服务器需要启动一个线程进行处理

NIO：同步非阻塞，实现模式为一个连接一个线程，客户端发起请求时会注册到selector多路复用器上，多路复用器会轮询所有有IO请求时才启动一个线程进行处理

AIO：异步非阻塞，一个有效请求一个线程，客户端IO请求都是由OS操作系统先完成了再通知服务器应用启动线程进行处理

场景

• BIO适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但是程序直观、简单且易于理解

• NIO适用于连接数目比较多且连接时间较短的架构中，例如聊天服务器，并发局限于当前应用中，编程相对比较复杂，从JDK1.4开始支持

• AIO适用于连接数目多且连接时间长的架构中，例如相册服务器，可以充分调用OS参与同步IO处理，而且proactor用于异步IO中

区别

• 同步阻塞：用户进程发起一个IO操作请求后，必须等待IO操作完成后，用户进程才能继续运行后续操作，否则用户进程阻塞等待

• 同步非阻塞：用户进程发起一个IO操作请求后可以返回做其它事情，但是用户进程需要不时询问IO操作是否已经就绪，这里会造成不必要的CPU资源浪费

• 异步非阻塞：用户进程发起一个IO操作请求后可以立即返回做其它事情，等到IO操作真正完成后，应用程序会收到IO操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理即可