1、Java I/O發(fā)展史    

Java IO（Input/Output）是Java語言中用于讀寫數(shù)據(jù)的API，它提供了一系列類和接口，用于讀取和寫入各種類型的數(shù)據(jù)。下面是Java IO發(fā)展史的簡要介紹：

• JDK 1.0（1996年） 最初的Java IO只支持字節(jié)流（InputStream、OutputStream）和字符流（Reader、Writer）兩種，基于阻塞式IO（BIO）模型。
• JDK 1.1（1997年） JDK 1.1引入了NIO（New IO）包，支持了緩存區(qū)（Buffer）、通道（Channel）等概念，提供了更高效的IO操作方式，可以實現(xiàn)非阻塞式IO（NIO）模式。
• JDK 1.4（2002年） JDK 1.4增加了NIO.2 API，也稱為Java NIO with buffers，提供了更   強大的文件處理功能和更高效的IO操作。
• JDK 7（2011年） JDK 7引入了NIO.2的改進(jìn)版——NIO.2 with Completion Ports，也稱為AIO（Asynchronous IO），支持異步IO方式，在處理大量并發(fā)請求時具有優(yōu)勢。

以下是三者之間的區(qū)別：

• 阻塞IO（BIO） BIO是Java最初的IO模型，它采用阻塞方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作。即當(dāng)一個線程在執(zhí)行IO操作時，若沒有數(shù)據(jù)可讀，則該線程會一直阻塞等待，直到有數(shù)據(jù)可讀或者超時。BIO適合處理連接數(shù)比較小且固定的場景，但并發(fā)能力不足。
• 非阻塞IO（NIO） NIO是Java 1.4引入的新的IO模型，它采用了多路復(fù)用器（Selector）機制，通過少量線程同時管理多個通道，實現(xiàn)了單線程同時處理多個請求的效果。NIO具有高并發(fā)性、高吞吐量和更高的可靠性，適合處理連接數(shù)多且連接時間較短的場景。
• 異步IO（AIO） AIO是Java 1.7開始支持的IO模型，它采用事件驅(qū)動的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，在回調(diào)函數(shù)中進(jìn)行處理。與NIO不同，AIO的讀寫操作是異步的，不需要通過輪詢方式去檢查數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。AIO適合處理連接數(shù)多、連接時間長且有較多讀寫操作的場景。

2、Java IO

2.1 簡介

在Java編程中，IO（Input/Output）操作是非常常見的操作，它涉及到文件讀寫、網(wǎng)絡(luò)通信等方面。Java提供了各種類來支持這些操作。本文將從IO的基礎(chǔ)知識講起，逐步深入，介紹Java IO的各個方面。

2.2 基礎(chǔ)概念

2.2.1 輸入流和輸出流

在Java中，輸入流（InputStream）和輸出流（OutputStream）是兩個重要的抽象類。輸入流表示輸入數(shù)據(jù)的來源，可以是文件、網(wǎng)絡(luò)連接、管道等；輸出流表示輸出數(shù)據(jù)的去向，可以是文件、網(wǎng)絡(luò)連接、管道等。輸入流和輸出流的使用方式是相似的，都是通過創(chuàng)建流對象，然后使用相應(yīng)的方法接口進(jìn)行讀寫操作。

2.2.2 字節(jié)流和字符流

Java中的IO操作還可以分為字節(jié)流和字符流兩種。字節(jié)流以字節(jié)（byte）為單位進(jìn)行操作，適用于處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)，例如圖像、音頻等；而字符流以字符（char）為單位進(jìn)行操作，適用于處理文本數(shù)據(jù)，例如文本文件等。Java中，字節(jié)流主要由InputStream和OutputStream類以及其子類實現(xiàn)，而字符流主要由Reader和Writer類以及其子類實現(xiàn)。

2.2.3 緩沖流

在進(jìn)行IO操作時，我們可能需要經(jīng)常進(jìn)行讀寫操作，而頻繁的讀寫可能會導(dǎo)致性能問題。為了解決這個問題，Java提供了緩沖流（Buffered Stream）來提高IO操作的效率。緩沖流可以通過內(nèi)部緩存區(qū)域來減少對底層資源的訪問次數(shù)，從而提高數(shù)據(jù)讀寫的效率。

2.3 Java IO的使用

2.3.1 文件讀寫

Java中的文件讀寫是開發(fā)中最常見的操作之一。下面是一個讀取文件內(nèi)容并輸出的示例：

    try (FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt");
         InputStreamReader isr = new InputStreamReader(fis);
         BufferedReader br = new BufferedReader(isr)) {
        String line;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            System.out.println(line);
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }

在這個示例中，我們使用了FileInputStream、InputStreamReader和BufferedReader等類來完成文件的讀取。首先，我們通過FileInputStream類創(chuàng)建了一個輸入流對象，并指定了要讀取的文件名稱；然后通過InputStreamReader將字節(jié)流轉(zhuǎn)換為字符流，再通過BufferedReader實現(xiàn)按行讀取文本內(nèi)容。

類似地，在Java中進(jìn)行文件寫操作也非常簡單，下面是一個寫入文件的示例：

try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("test.txt");
     OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(fos);
     BufferedWriter bw = new BufferedWriter(osw)) {
    bw.write("Hello, world!");
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

在這個示例中，我們使用了FileOutputStream、OutputStreamWriter和BufferedWriter等類來完成文件的寫入。首先，我們通過FileOutputStream類創(chuàng)建了一個輸出流對象，并指定了要寫入的文件名稱；然后通過OutputStreamWriter將字節(jié)流轉(zhuǎn)換為字符流，再通過BufferedWriter實現(xiàn)按行寫入文本內(nèi)容。

3、Java NIO

3.1 簡介

Java NIO（New IO）是Java SE 1.4引入的一個新的IO API，它提供了比傳統(tǒng)IO更高效、更靈活的IO操作。與傳統(tǒng)IO相比，Java NIO的優(yōu)勢在于它支持非阻塞IO和選擇器（Selector）等特性，能夠更好地支持高并發(fā)、高吞吐量的應(yīng)用場景。本文將從NIO的基礎(chǔ)知識講起，逐步深入，介紹Java NIO的各個方面。

3.2 核心概念

3.2.1 選擇器（Selector）

選擇器是Java NIO中的一個重要組件，它可以用于同時監(jiān)控多個通道的讀寫事件，并在有事件發(fā)生時立即做出響應(yīng)。選擇器可以實現(xiàn)單線程監(jiān)聽多個通道的效果，從而提高系統(tǒng)吞吐量和運行效率。

3.2.2 通道（Channel）

通道是一個用于讀寫數(shù)據(jù)的對象，類似于Java IO中的流（Stream）。與流不同的是，通道可以進(jìn)行非阻塞式的讀寫操作，并且可以同時進(jìn)行讀寫操作。通道分為兩種類型：FileChannel和SocketChannel，分別用于文件和網(wǎng)絡(luò)

通信。

3.2.3 緩沖區(qū)（Buffer）

在Java NIO中，所有數(shù)據(jù)都是通過緩沖區(qū)對象進(jìn)行傳輸?shù)摹＞彌_區(qū)是一段連續(xù)的內(nèi)存塊，可以保存需要讀寫的數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)對象包含了一些狀態(tài)變量，例如容量（capacity）、限制（limit）、位置（position）等，用于控制數(shù)據(jù)的讀寫。

3.3 Java NIO的使用

3.3.1 緩沖區(qū)操作

Java NIO中的緩沖區(qū)操作主要包括數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入兩種操作。下面是一個簡單的緩沖區(qū)讀取示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
try (FileChannel channel = new FileInputStream("test.txt").getChannel()) {
    int bytesRead = channel.read(buffer);
    while (bytesRead != -1) {
        buffer.flip();
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get());
        }
        buffer.clear();
        bytesRead = channel.read(buffer);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

在這個示例中，我們使用了FileChannel類和ByteBuffer類來完成文件的讀取。首先，我們通過FileInputStream類創(chuàng)建了一個輸入流對象，然后通過getChannel()方法獲取到對應(yīng)的通道對象；接著，我們創(chuàng)建了一個容量為1024字節(jié)的ByteBuffer對象，并調(diào)用read()方法從通道中讀取數(shù)據(jù)，將讀取到的數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中。讀取完成后，我們通過flip()方法將緩沖區(qū)切換為讀模式，并使用hasRemaining()和get()方法逐個讀取數(shù)據(jù)；最后通過clear()方法清空緩沖區(qū)，準(zhǔn)備進(jìn)行下一輪讀取。

Java NIO中的緩沖區(qū)寫操作也非常類似，下面是一個簡單的緩沖區(qū)寫入示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, world!".getBytes());
try (FileChannel channel = new FileOutputStream("test.txt").getChannel()) {
    channel.write(buffer);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

在這個示例中，我們使用了FileChannel類和ByteBuffer類來完成文件的寫入。首先，我們通過ByteBuffer.wrap()方法將字符串轉(zhuǎn)換為ByteBuffer對象；然后，我們通過FileOutputStream類創(chuàng)建了一個輸出流對象，再通過getChannel()方法獲取到對應(yīng)的通道對象；接著，我們調(diào)用write()方法將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入通道中，完成文件寫入操作。

3.3.2 通道操作

Java NIO中的通道（Channel）是用于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶ο?。通道可以連接到源或目標(biāo)節(jié)點，用于讀取和寫入數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的Java IO不同，NIO中的通道可以實現(xiàn)非阻塞式地讀寫數(shù)據(jù)，從而提高了應(yīng)用程序的性能和并發(fā)處理能力。

要使用通道進(jìn)行讀寫操作，首先需要打開通道。Java NIO中有多種類型的通道，每種通道都提供了自己的打開方式。例如，要打開一個文件通道，可以通過FileInputStream或FileOutputStream對象獲取對應(yīng)的FileChannel對象，如下所示：

    FileChannel channel = new FileInputStream("file.txt").getChannel();

讀取數(shù)據(jù) 一旦打開了通道，就可以開始讀取數(shù)據(jù)。在NIO中，數(shù)據(jù)通過緩沖區(qū)進(jìn)行傳輸。要讀取數(shù)據(jù)，需要將數(shù)據(jù)存儲在緩沖區(qū)中，然后從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。以下是一個簡單的讀取操作示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// 從通道中讀取數(shù)據(jù)
int bytesRead = channel.read(buffer);
while (bytesRead != -1) {
    // 切換為讀模式
    buffer.flip();
    // 讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)
    while (buffer.hasRemaining()) {
        System.out.print((char) buffer.get());
    }
    // 清空緩沖區(qū)
    buffer.clear();
    bytesRead = channel.read(buffer);
}

在這個示例中，我們首先創(chuàng)建了一個容量為1024字節(jié)的ByteBuffer對象，并使用channel.read()方法從文件通道中讀取數(shù)據(jù)。讀取到數(shù)據(jù)后，我們將ByteBuffer切換為讀模式，再使用hasRemaining()和get()方法逐個讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。

寫入數(shù)據(jù) 要寫入數(shù)據(jù)，也需要將數(shù)據(jù)存儲在緩沖區(qū)中，然后將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入到通道中。以下是一個簡單的寫入操作示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, world!".getBytes());
// 將數(shù)據(jù)寫入通道
channel.write(buffer);

在這個示例中，我們首先使用ByteBuffer.wrap()方法將字符串轉(zhuǎn)換為ByteBuffer對象，在通過channel.write()方法將ByteBuffer中的數(shù)據(jù)寫入到通道中。

4、Java AIO

Java AIO（Asynchronous IO）是一種基于事件和回調(diào)的IO模型，相比Java BIO（Blocking IO）和Java NIO（Non-blocking IO），它具有更高的并發(fā)性、更高的吞吐量和更高的可靠性。本文將介紹Java AIO的原理、特點和應(yīng)用。

4.1 Java AIO的原理

Java AIO采用異步IO方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，與Java NIO不同，它不需要通過輪詢方式去檢查數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，而是由操作系統(tǒng)完成。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，操作系統(tǒng)會通知應(yīng)用程序，并在回調(diào)函數(shù)中進(jìn)行處理。

AIO使用了三個核心組件：AsynchronousChannel、CompletionHandler和
AsynchronousServerSocketChannel。其中，AsynchronousChannel是讀/寫數(shù)據(jù)的通道，CompletionHandler是I/O操作完成時的回調(diào)方法，AsynchronousServerSocketChannel是異步服務(wù)器端套接字通道，用于監(jiān)聽客戶端的連接請求。

當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，操作系統(tǒng)將通知應(yīng)用程序，并在回調(diào)函數(shù)中執(zhí)行I/O操作完成時的回調(diào)方法。這樣就避免了線程阻塞等待I/O操作完成的情況，從而提高了程序的效率和并發(fā)處理能力。

4.2 Java AIO的特點

• 高并發(fā)性：Java AIO采用異步IO方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，可以實現(xiàn)高并發(fā)處理能力。
• 高吞吐量：Java AIO支持異步讀寫操作，可以同時處理多個請求，從而提高了數(shù)據(jù)讀寫的效率和吞吐量。
• 高可靠性：由于Java AIO采用異步IO方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，可以避免線程阻塞等待I/O操作完成的情況，從而提高程序的可靠性。
• 簡單易用：Java AIO提供了簡單易用的API，不需要編寫復(fù)雜的代碼就可以實現(xiàn)異步IO操作。

4.3 Java AIO的應(yīng)用

Java AIO適用于需要大量并發(fā)連接，但每個連接卻很少有數(shù)據(jù)交互的場景，例如基于消息的應(yīng)用程序、遠(yuǎn)程過程調(diào)用（RPC）等。在這些應(yīng)用場景中，AIO可以大幅度提高程序的性能和并發(fā)處理能力，從而滿足用戶對高吞吐量和低延遲的要求。

另外，Java AIO也可以用于開發(fā)高性能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，例如聊天室服務(wù)器、在線游戲服務(wù)器等。由于AIO支持異步讀取輸入流和輸出流，因此可以同時處理多個客戶端請求，有效地提高了服務(wù)器的并發(fā)處理能力。

總結(jié)

Java AIO作為一種高性能、高并發(fā)的IO模型，具備很多優(yōu)點，但也存在著一些缺點，如對小負(fù)載的連接，AIO的開銷可能會導(dǎo)致性能下降。因此，在實際應(yīng)用中，需要權(quán)衡各種因素，根據(jù)實際需求進(jìn)行評估和選擇。

5、相關(guān)面試題

1、什么是Java IO和NIO？

Java IO（Input/Output）是Java中傳統(tǒng)的輸入輸出操作，使用字節(jié)流和字符流進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
Java NIO（New Input/Output）是Java 1.4引入的新的輸入輸出API，它更加高效地處理數(shù)據(jù)。

2、什么是阻塞和非阻塞IO？

阻塞IO（Blocking IO）在進(jìn)行IO操作時會一直等待，直到IO完成，期間無法進(jìn)行其他操作。
非阻塞IO（Non-blocking IO）在進(jìn)行IO操作時不會一直等待，而是立即返回結(jié)果，如果IO還沒有完全完成，則可以繼續(xù)做其他事情。

3、什么是緩沖區(qū)？有哪些類型的緩沖區(qū)？

緩沖區(qū)是一個用于存儲數(shù)據(jù)的數(shù)組，在進(jìn)行IO操作時需要通過緩沖區(qū)來進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)。
Java的緩沖區(qū)分為字節(jié)緩沖區(qū)（ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer等）和直接緩沖區(qū)（DirectByteBuffer、DirectCharBuffer、DirectShortBuffer等）。

4、什么是通道（Channel）？

通道是NIO中用于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶ο?，它可以連接到源或目標(biāo)節(jié)點，用于讀取和寫入數(shù)據(jù)。

5、什么是選擇器（Selector）？

選擇器是NIO中的一個對象，它可以通過輪詢注冊在其上的通道來檢查它們是否有事件發(fā)生（如可讀、可寫等），從而避免了阻塞式IO中需要等待IO完成的問題。

6、Java IO和NIO之間有什么區(qū)別？

Java IO基于流的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而NIO基于緩沖區(qū)和通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
Java IO是阻塞式的，而NIO可以采用阻塞或非阻塞模式。
Java IO對線程使用較多，每個IO操作都需要創(chuàng)建一個線程，而NIO可以使用單個線程處理多個IO操作。

7、什么是文件通道（FileChannel）？

文件通道是NIO中用于讀取和寫入文件的通道，它支持隨機訪問和內(nèi)存映射文件等高級功能。

8、Java IO和NIO哪個更快？

在大量小數(shù)據(jù)量的情況下，Java IO可能更快，因為它可以通過緩沖區(qū)一次性讀取所有數(shù)據(jù)。
在大量大塊數(shù)據(jù)的情況下，NIO可能更快，因為它可以使用零拷貝技術(shù)直接將數(shù)據(jù)從磁盤讀入內(nèi)存，減少了數(shù)據(jù)復(fù)制的開銷。

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