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Java IO 模型概览

IO（Input/Output，输入输出）是程序与外部世界交互的重要方式。理解 Java 的 IO 模型是进行文件操作、网络通信等开发的基础。本章将详细介绍 Java 的 IO 体系结构。

阻塞 IO 与非阻塞 IO​

阻塞 IO（BIO）​

阻塞 IO（Blocking IO）是传统的 IO 模型，当程序执行 IO 操作时，线程会被阻塞，直到操作完成。

特点：

  • 同步阻塞：线程等待 IO 操作完成
  • 简单易用：API 简单，易于理解
  • 资源消耗：每个连接需要一个线程
  • 适用场景：连接数较少的场景
// 阻塞 IO 示例
try (FileInputStream fis = new FileInputStream("file.txt")) {
    int data;
    while ((data = fis.read()) != -1) {  // 阻塞，直到读取到数据
        System.out.print((char) data);
    }
}

非阻塞 IO（NIO）​

非阻塞 IO（Non-blocking IO）是 Java 4 引入的 IO 模型，线程不会被阻塞。

特点：

  • 非阻塞：线程可以继续执行其他操作
  • 高效：一个线程可以处理多个连接
  • 复杂：API 相对复杂
  • 适用场景：高并发、大量连接的场景
// NIO 示例
FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("file.txt"), StandardOpenOption.READ);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int bytesRead = channel.read(buffer);  // 非阻塞

异步 IO（AIO）​

异步 IO（Asynchronous IO）是 Java 7 引入的异步 IO 模型。

特点：

  • 完全异步：IO 操作在后台执行
  • 回调机制：通过回调处理结果
  • 高性能：适合高并发场景
  • 使用较少：实际应用中使用较少

输入流 / 输出流概念​

流的概念​

流（Stream）是数据在程序和外部之间的流动通道。

特点：

  • 单向：流是单向的，要么输入，要么输出
  • 顺序：数据按顺序流动
  • 抽象：隐藏底层实现细节

输入流（InputStream / Reader）​

输入流用于从外部读取数据到程序。

// 字节输入流
InputStream is = new FileInputStream("file.txt");
int data = is.read();  // 读取一个字节

// 字符输入流
Reader reader = new FileReader("file.txt");
int data = reader.read();  // 读取一个字符

输出流（OutputStream / Writer）​

输出流用于从程序写入数据到外部。

// 字节输出流
OutputStream os = new FileOutputStream("file.txt");
os.write(65);  // 写入一个字节

// 字符输出流
Writer writer = new FileWriter("file.txt");
writer.write("Hello");  // 写入字符串

流的分类​

IO 流
├── 按方向分类
│   ├── 输入流（InputStream / Reader）
│   └── 输出流（OutputStream / Writer）
├── 按数据类型分类
│   ├── 字节流（InputStream / OutputStream）
│   └── 字符流（Reader / Writer）
└── 按功能分类
    ├── 节点流（直接操作数据源）
    └── 处理流（包装其他流，提供额外功能）

字节流 / 字符流区别​

字节流（Byte Stream）​

字节流以字节为单位处理数据，适合处理二进制数据。

核心类：

  • InputStream：字节输入流
  • OutputStream：字节输出流

特点：

  • 处理字节数据（8 位）
  • 适合处理图片、视频、音频等二进制文件
  • 可以处理任何类型的数据
// 字节流示例
try (FileInputStream fis = new FileInputStream("image.jpg");
     FileOutputStream fos = new FileOutputStream("copy.jpg")) {
    int data;
    while ((data = fis.read()) != -1) {
        fos.write(data);
    }
}

字符流（Character Stream）​

字符流以字符为单位处理数据，适合处理文本数据。

核心类：

  • Reader：字符输入流
  • Writer：字符输出流

特点：

  • 处理字符数据（16 位 Unicode）
  • 适合处理文本文件
  • 自动处理字符编码
// 字符流示例
try (FileReader fr = new FileReader("text.txt");
     FileWriter fw = new FileWriter("copy.txt")) {
    int data;
    while ((data = fr.read()) != -1) {
        fw.write(data);
    }
}

字节流 vs 字符流​

特性字节流字符流
数据单位字节（8 位）字符（16 位）
适用场景二进制文件文本文件
编码处理不处理编码自动处理编码
核心类InputStream/OutputStreamReader/Writer
性能较快较慢（需要编码转换）

选择建议​

使用字节流：

  • 处理图片、视频、音频等二进制文件
  • 处理网络数据
  • 需要精确控制字节数据

使用字符流：

  • 处理文本文件
  • 需要自动处理字符编码
  • 需要按字符处理数据

IO 流的层次结构​

节点流和处理流​

节点流（Node Stream）​

节点流直接操作数据源。

// 节点流：直接操作文件
FileInputStream fis = new FileInputStream("file.txt");
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("file.txt");

处理流（Processing Stream）​

处理流包装其他流，提供额外功能。

// 处理流：包装节点流，提供缓冲功能
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fos);

装饰器模式​

Java IO 使用装饰器模式，可以组合多个流：

// 组合多个处理流
try (FileInputStream fis = new FileInputStream("file.txt");
     BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);
     DataInputStream dis = new DataInputStream(bis)) {
    // 使用 DataInputStream 读取数据
}

实际示例​

示例 1：字节流 vs 字符流​

import java.io.*;

public class StreamComparison {
    // 使用字节流复制文件
    public static void copyFileByteStream(String source, String dest) throws IOException {
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(source);
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream(dest)) {
            int data;
            while ((data = fis.read()) != -1) {
                fos.write(data);
            }
        }
    }
    
    // 使用字符流复制文本文件
    public static void copyFileCharStream(String source, String dest) throws IOException {
        try (FileReader fr = new FileReader(source);
             FileWriter fw = new FileWriter(dest)) {
            int data;
            while ((data = fr.read()) != -1) {
                fw.write(data);
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 复制二进制文件（图片）使用字节流
        copyFileByteStream("image.jpg", "copy.jpg");
        
        // 复制文本文件可以使用字符流
        copyFileCharStream("text.txt", "copy.txt");
    }
}

示例 2：流的组合使用​

import java.io.*;

public class StreamComposition {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 组合多个流：文件 -> 缓冲 -> 数据流
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("data.bin");
             BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);
             DataInputStream dis = new DataInputStream(bis)) {
            
            // 读取不同类型的数据
            int intValue = dis.readInt();
            double doubleValue = dis.readDouble();
            String stringValue = dis.readUTF();
            
            System.out.println("整数：" + intValue);
            System.out.println("浮点数：" + doubleValue);
            System.out.println("字符串：" + stringValue);
        }
    }
}

IO 模型的选择​

选择阻塞 IO（BIO）​

  • 连接数较少
  • 简单应用
  • 不需要高并发

选择非阻塞 IO（NIO）​

  • 高并发场景
  • 大量连接
  • 需要高性能

选择字节流​

  • 处理二进制数据
  • 处理图片、视频等文件
  • 网络数据传输

选择字符流​

  • 处理文本文件
  • 需要字符编码处理
  • 按字符处理数据

小结​

Java IO 模型概览要点：

  • 阻塞 IO：同步阻塞，简单易用
  • 非阻塞 IO：非阻塞，适合高并发
  • 输入流/输出流：数据流动的方向
  • 字节流/字符流：处理的数据类型不同
  • 节点流/处理流：直接操作 vs 包装增强

关键要点：

  • 输入流读取数据，输出流写入数据
  • 字节流处理二进制数据，字符流处理文本数据
  • 处理流可以组合使用，提供额外功能
  • 根据场景选择合适的 IO 模型和流类型

理解了 IO 模型概览，你就能选择合适的 IO 方式。在下一章，我们将学习 Java 的文件与目录操作。