【Java回顾】Day7 Java IO|分类(传输方式，数据操作)|零拷贝和NIO

embedded/2025/1/19 12:30:00/

# Java IO 知识体系

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IO-分类(传输，操作)

传输方式

  • 字节流
    请添加图片描述

  • 字符流

  • 请添加图片描述

  • 字节流和字符流的区别

    • 字节流读取单个字节，字符流读取单个字符
    • 字节流来处理二进制文件(图片，MP3，视频文件)，字符流(文本文件(特殊的二进制文件，使用某种编码，人可以阅读))
    • 字节流给计算机处理的，字符流给人看的。

  • 字节转字符Input/OutputStreamReader/Writer

    • 编码是将字节转字符，解码是将字符转字节

数据操作

  • 文件(file)
  • 数组([])
  • 管道操作
  • 基本数据类型
  • 缓冲操作
  • 打印
  • 对象序列化反序列化
  • 转换

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零拷贝和NIO概述

NIO

  • 参考：https://javaguide.cn/java/io/io-model.html#nio-non-blocking-new-i-o

  • NIO是IO多路复用模型

    • 请添加图片描述

    • 线程首先发起调用，询问内核数据是否准备就绪。等准备就绪后，用户线程再发起read调用(数据从内核空间->用户空间)是阻塞的。

      • select调用，支持一次查询多个系统调用的可用状态，几乎所有的操作系统都支持。
      • epoll调用，linux 2.6内核，select调用的增强版本，优化IO执行效率

  • NIO中的多路复用器selector
    *

    • 请添加图片描述

  • 在高并发和高延迟的环境，适合用NIO提交效率。

  • 组成部分(3个)

    • Buffer缓冲区：读写。读：从Channel到buffer；写：从buffer到Channel。

    • Channel通道：双向可读可写的数据传输通道，实现数据的输入和输出。

    • Selector选择器：一个线程处理多个Channel，基于事件驱动的I/O多路复用模型。多个channel由selector来分配线程处理事件

    • 请添加图片描述

  • 详解

    • Buffer，BIO是缓冲流，NIO是缓冲区

      • 默认是写模式，flip()切换到读模式；clear()或compact()切换到写模式

      • 核心代码

        • 用静态方法创建，CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(8);
        • put写数据，buffer.put(‘a’).put(‘b’).put(‘c’);
        • get读数据，while (buffer.hasRemaining()) {
          System.out.print(buffer.get());
          }
        • 写→读，buffer.flip();
        • 读→写，buffer.clear();
      • import java.nio.*;public class CharBufferDemo {public static void main(String[] args) {// 分配一个容量为8的CharBufferCharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(8);System.out.println("初始状态：");printState(buffer);// 向buffer写入3个字符buffer.put('a').put('b').put('c');System.out.println("写入3个字符后的状态：");printState(buffer);// 调用flip()方法，准备读取buffer中的数据，将 position 置 0,limit 的置 3buffer.flip();System.out.println("调用flip()方法后的状态：");printState(buffer);// 读取字符while (buffer.hasRemaining()) {System.out.print(buffer.get());}// 调用clear()方法，清空缓冲区，将 position 的值置为 0，将 limit 的值置为 capacity 的值buffer.clear();System.out.println("调用clear()方法后的状态：");printState(buffer);}// 打印buffer的capacity、limit、position、mark的位置private static void printState(CharBuffer buffer) {System.out.print("capacity: " + buffer.capacity());System.out.print(", limit: " + buffer.limit());System.out.print(", position: " + buffer.position());System.out.print(", mark 开始读取的字符: " + buffer.mark());System.out.println("\n");}
}

      • 请添加图片描述

    • Channel 全双工

      • 常用通道

        • FileChannel 文件访问通道
        • SocketChannel,ServerSocketChannel TCP通信通道
        • DatagramChannl UDP通信通道

      • 核心方法

        • 读，读并写入到Buffer中
        • 写，将buffer数据写入channel中
      • RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("/Users/guide/Documents/test_read.in", "r"))
FileChannel channel = reader.getChannel();//得到一个channel
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);//字节缓冲区buffer
channel.read(buffer);//读

    • Selector

      • 请添加图片描述

      • **epoll()**一个多路复用器Selector可以同时轮询多个Channel，由于JDK使用了epoll()代替select实现，因此没有最大连接句柄1024/2048的限制。可以连接成千上万的客户端

      • 监听事件类型

        • SelectionKey.OP_ACCPET 通道接受连接的事件，用于ServerSocketChannel
        • SelectionKey.OP_CONNECT 完成连接的事件，SocketChannel
        • SelectionKey.OP_READ 通道准备好进行读取的事件，有数据可读
        • SelectionKey.OP_WRITE,通道准备好写入的事件，写入数据

NIO零拷贝

  • 解决操作系统在处理I/O操作时频繁复制数据的问题

  • 零拷贝：执行IO操作时，CPU不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域，从而可以减少上下文切换以及CPU的拷贝时间

  • 请添加图片描述

  • 必备2次DMA(Direct memory access)，依赖硬件完成，零拷贝是减少了CPU拷贝及上下文切换

  • Java对零拷贝的支持

    • MappedByteBuffer
    • FileChannel
    • S请添加图片描述

IO-分类(传输，操作)

传输方式

  • 字节流
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  • 字符流
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  • 字节流和字符流的区别

    • 字节流读取单个字节，字符流读取单个字符
    • 字节流来处理二进制文件(图片，MP3，视频文件)，字符流(文本文件(特殊的二进制文件，使用某种编码，人可以阅读))
    • 字节流给计算机处理的，字符流给人看的。

  • 字节转字符Input/OutputStreamReader/Writer

    • 编码是将字节转字符，解码是将字符转字节

数据操作

  • 文件(file)
  • 数组([])
  • 管道操作
  • 基本数据类型
  • 缓冲操作
  • 打印
  • 对象序列化反序列化
  • 转换

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零拷贝和NIO概述

NIO

  • 参考：https://javaguide.cn/java/io/io-model.html#nio-non-blocking-new-i-o

  • NIO是IO多路复用模型
    *

    • 请添加图片描述

    • 线程首先发起调用，询问内核数据是否准备就绪。等准备就绪后，用户线程再发起read调用(数据从内核空间->用户空间)是阻塞的。

      • select调用，支持一次查询多个系统调用的可用状态，几乎所有的操作系统都支持。
      • epoll调用，linux 2.6内核，select调用的增强版本，优化IO执行效率

  • NIO中的多路复用器selector
    *

    • 请添加图片描述

  • 在高并发和高延迟的环境，适合用NIO提交效率。

  • 组成部分(3个)

    • Buffer缓冲区：读写。读：从Channel到buffer；写：从buffer到Channel。
    • Channel通道：双向可读可写的数据传输通道，实现数据的输入和输出。
    • Selector选择器：一个线程处理多个Channel，基于事件驱动的I/O多路复用模型。多个channel由selector来分配线程处理事件
    • 请添加图片描述

  • 详解

    • Buffer，BIO是缓冲流，NIO是缓冲区

      • 默认是写模式，flip()切换到读模式；clear()或compact()切换到写模式

      • 核心代码

        • 用静态方法创建，CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(8);
        • put写数据，buffer.put(‘a’).put(‘b’).put(‘c’);
        • get读数据，while (buffer.hasRemaining()) {
          System.out.print(buffer.get());
          }
        • 写→读，buffer.flip();
        • 读→写，buffer.clear();
      • import java.nio.*;public class CharBufferDemo {public static void main(String[] args) {// 分配一个容量为8的CharBufferCharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(8);System.out.println("初始状态：");printState(buffer);// 向buffer写入3个字符buffer.put('a').put('b').put('c');System.out.println("写入3个字符后的状态：");printState(buffer);// 调用flip()方法，准备读取buffer中的数据，将 position 置 0,limit 的置 3buffer.flip();System.out.println("调用flip()方法后的状态：");printState(buffer);// 读取字符while (buffer.hasRemaining()) {System.out.print(buffer.get());}// 调用clear()方法，清空缓冲区，将 position 的值置为 0，将 limit 的值置为 capacity 的值buffer.clear();System.out.println("调用clear()方法后的状态：");printState(buffer);}// 打印buffer的capacity、limit、position、mark的位置private static void printState(CharBuffer buffer) {System.out.print("capacity: " + buffer.capacity());System.out.print(", limit: " + buffer.limit());System.out.print(", position: " + buffer.position());System.out.print(", mark 开始读取的字符: " + buffer.mark());System.out.println("\n");}
}

      • 请添加图片描述

    • Channel 全双工

      • 常用通道

        • FileChannel 文件访问通道
        • SocketChannel,ServerSocketChannel TCP通信通道
        • DatagramChannl UDP通信通道

      • 核心方法

        • 读，读并写入到Buffer中
        • 写，将buffer数据写入channel中
      • RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("/Users/guide/Documents/test_read.in", "r"))
FileChannel channel = reader.getChannel();//得到一个channel
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);//字节缓冲区buffer
channel.read(buffer);//读

    • Selector

      请添加图片描述

      • **epoll()**一个多路复用器Selector可以同时轮询多个Channel，由于JDK使用了epoll()代替select实现，因此没有最大连接句柄1024/2048的限制。可以连接成千上万的客户端
      • 监听事件类型
        • SelectionKey.OP_ACCPET 通道接受连接的事件，用于ServerSocketChannel
        • SelectionKey.OP_CONNECT 完成连接的事件，SocketChannel
        • SelectionKey.OP_READ 通道准备好进行读取的事件，有数据可读
        • SelectionKey.OP_WRITE,通道准备好写入的事件，写入数据

NIO零拷贝

  • 解决操作系统在处理I/O操作时频繁复制数据的问题

  • 零拷贝：执行IO操作时，CPU不需要将数据从一个存储区域复制到另一个存储区域，从而可以减少上下文切换以及CPU的拷贝时间

  • 请添加图片描述

  • 必备2次DMA(Direct memory access)，依赖硬件完成，零拷贝是减少了CPU拷贝及上下文切换

  • Java对零拷贝的支持

    • MappedByteBuffer

    • FileChannel

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