IO 一篇带你彻底读懂 流技术！

一、摘要

说到 IO，置信大家都不生疏，英文全称：Input/Output，即输入/输入，通常指数据在外部存储器和外部存储器或其余周边设施之间的输入和输入。

比如咱们罕用的SD卡、U盘、移动硬盘等等存储文件的配件设施，当咱们将其拔出电脑的 usb 配件接口时，咱们就可以从电脑中读取设施中的信息或许写入信息，这个环节就触及到 I/O 的操作。

当然，触及 I/O 的操作，也不只仅局限于配件设施的读写，还有网络数据的传输。比如，咱们在电脑上用阅读器搜查互联网上的信息，这个信息的环节也触及到 I/O 的操作。

无论是从磁盘中读写文件，还是在网络中传输数据，可以说 I/O 关键为处置人机交互、机与机交互中失掉和替换信息提供的一套处置打算。

在 Java 的 IO 体系中，类将近有 80 个，位于java.io包下，初步看起来觉得十分复杂，然而经过一番梳理之后，你会发现还是有法令可循的。

从传输数据的格局角度看，可以大抵分为两组：

从传输数据的方式角度看，也可以大抵分为两组：

只管 Socket 类并不在java.io包下，然而咱们依然把它们划分在一同，由于 I/O 的外围疑问，要么是数据格局影响 I/O 操作，要么是传输方式影响 I/O 操作，也就是将什么样的数据写到什么中央的疑问。

I/O 只是人与机器或许机器与机器交互的手腕，除了在它们能够成功这个交互性能外，咱们关注的就是如何提高它的运转效率，而数据格局和传输方式是影响效率最关键的要素。

上方咱们基于这两点，来倒退剖析！

二、传输格局的分类

从传输格局角度看，可以分两类：字节流和字符流。

2.1、字节流接口

字节流，是 I/O 流中最底层的流，能处置任何类型的数据传输，比如文字、图片、视频、文件等。

2.1.1、基于字节输入流的接口

关上 JDK 源码，整顿之后，InputStream 输入流接口的类承袭档次如下图所示：

这些输入流类，依据角色不同，还可以启动分类，分为：节点流和处置流。

输入流类，依据角色的划分类别如下：

OutputStream 输入流的类档次结构也是相似。

2.1.2、基于字节输入流的接口

OutputStream 输入流接口的类承袭档次如下图所示：

字节输入流类，依据角色的划分类别如下：

这里就不具体的引见各个子类的经常使用方法，有兴味的好友可以检查 JDK 的 API 说明文档，笔者也会在前期的系列文章会启动具体的引见。

这里只是重点想说一下，无论是输入还是输入，操作数据的方式可以组合经常使用，各个处置流的类并不是只操作固定的节点流，比如如下输入方式：

//将文件输入流包装到序列化输入流中，再将序列化输入流包装到缓冲中OutputStream   new BufferedOutputStreamnew ObjectOutputStreamnew FileOutputStreamnew ；

另外，输入流最终写到什么中央必定要指定，要么是写到硬盘中，要么是写到网络中，从图中可以发现，写网络实践上也是写文件，只不过写到网络中，要求经过底层操作系统将数据发送到其余指定的计算机中，而不是写入到本地硬盘中。

2.2、字符流接口

不论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，所以 I/O 操作的都是字节而不是字符。

那为什么要有操作字符的 I/O 接口呢？

这是由于咱们的程序中通常操作的数据都是以字符方式，为了程序操作更繁难而提供一个间接写字符的 I/O 接口，仅此而已！

除此之外，经常使用字节流操控文字时不是很繁难，容易乱码，由此降生了不同的字符集以及对应的字符编码规定！

由于全环球的文字博大精湛，不同的字符集，占用的字节位数不同，以中文为例，在GBK编码规定中，一个中文经常使用二个字节存储；而在UTF-8编码规定中，一个中文经常使用三个字节存储，假设写入和读取的编码规定不一样，读取的字节数很容易裂开，造成出现乱码。

比如以下案例：

 static void mainString args throws Exception {byte bytes  getBytes   new OutputStream   new FileOutputStreambytes}

文件的内容如下：

为了更繁难地处置中文这些字符，计算机就推出了字符编码规定。

成功原理：字节流 + 编码表。

2.2.1、基于字符输入流的接口

Reader 输入流接口的类承袭档次如下图所示：

雷同的，字符输入流类，依据角色的划分类别如下：

2.2.2、基于字符输入流的接口

Writer 输入流的类承袭档次如下图所示：

字符输入流类，依据角色的划分类别如下：

2.3、字节与字符的转化

刚刚咱们说到，不论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，设计字符的要素是为了程序更繁难的操作文本。

那么怎样将字符转化成字节或许将字节转化成字符呢？

其中，InputStreamReader和OutputStreamWriter就是转化桥梁。

2.3.1、输入流转换打算

输入流字符解码关系类结构的转化环节如下图所示：

从图上可以看到，InputStreamReader类是字节到字符的转化桥梁， 其中StreamDecoder指的是一个解码操作类，Charset指的是字符集。

InputStream到Reader的环节要求指定编码字符集，否则将驳回操作系统自动字符集，很或许会出现乱码疑问，StreamDecoder则是成功字节到字符的解码的成功类。

案例如下：

   new FileInputStream inputStream new FileInputStream//字节输入流转为字符输入流InputStreamReader streamReader new InputStreamReaderinputStream forName

2.3.2、输入流转换打算

输入流转化环节也是相似，如下图所示：

经过OutputStreamWriter类成功字符到字节的编码环节，由StreamEncoder成功编码环节。

案例如下：

   new FileOutputStream outputStream new FileOutputStream//字符输入流转字节输入流OutputStreamWriter streamWriter new OutputStreamWriteroutputStream forName

三、传输方式的分类

上文咱们引见了数据的传输格局，可以经过字节流和字符流接口来成功数据的传输，至于数据写到何处，关键取决于数据的传输方式。

从传输方式角度看，可以分两类：磁盘和网络。

3.1、文件接口

咱们知道数据在磁盘的惟一最小形容就是文件，也就是说下层运行程序只能经过文件来操作磁盘上的数据，文件也是操作系统和磁盘驱动器交互的一个最小单元。

在 Java I/O 体系中，**File类是惟一代表磁盘文件自身的对象**。

File 类定义了一些与平台有关的方法来操作文件，包括审核一个文件能否存在、创立、删除文件、重命名文件、判别文件的读写权限能否存在、设置和查问文件的最近修正期间等等操作。

值得留意的是 Java 中通常的 File 并不代表一个实在存在的文件对象，当你经过指定一个门路形容符时，它就会前往一个代表这个门路关系联的一个虚构对象，这个或许是一个实在存在的文件或许是一个蕴含多个文件的目录。

例如，读取一个文件内容，程序如下：

 static void mainString args throws Exception {StringBuilder str  new StringBuilder buf  new FileReader f  new FileReaderfbuf{strappendbuf}strtoString}

以上方的程序为例，从硬盘中读取一段文本字符，操作流程如下图：

当咱们传入一个指定的文件名来创立File对象，经过FileReader来读取文件内容时，会智能创立一个FileInputStream对象来读取文件内容，也就是咱们上文中所说的字节流来读取文件。

紧接着，会创立一个FileDescriptor的对象，其实这个对象就是真正代表一个存在的文件对象的形容。

由于咱们要求读取的是字符格局，所以要求StreamDecoder类经过解码方法decode，将字节转字符，至于如何从磁盘驱动器上读取一段数据，由操作系统帮咱们成功。

3.2、网络接口

继续来说说数据传输的另一种处置方式：网络通讯。

3.2.1、Socket 简介

在 Java 网络体系中，Socket是形容计算机之间成功相互通讯一种形象定义。

光从形容看或许很难了解，打个比如，可以把Socket比作为两个市区之间的交通工具，有了它，就可以在市区之间来回穿越了；并且，交通工具备多种，每种交通工具也有相应的交通规定。

Socket 也一样，也有多种，大局部状况下咱们经常使用的都是基于 TCP/IP 的流套接字，它是一种稳固的通讯协定。

比拟典型的基于 Socket 通讯的运行程序场景，如下图：

主机 A 的运行程序要想和主机 B 的运行程序通讯，必定经过 Socket 建设衔接，而建设 Socket 衔接必定要求底层 TCP/IP 协定来建设 TCP 衔接。

3.2.2、建设通讯链路

咱们知道网络层经常使用的 IP 协定可以协助咱们依据 IP 地址来找到指标主机，然而一台主机上或许运转着多个运行程序，如何能力与指定的运行程序通讯呢？

这个时刻要求经过 TCP 或 UPD 协定，也就是指定对应的端口号。

经过 IP + 端口号，就可以创立一个代表惟逐一个主机上的一个运行程序的通讯链路了，创立后的通讯链路咱们称它为 Socket 实例。

以 TCP 协定为例，为了准确无误地把数据送达指标处，TCP 协定驳回了三次握手战略，如下图：

其中，SYN 全称为 Synchronize Sequence Numbers，示意同步序列编号，是 TCP/IP 建设衔接时经常使用的握手信号。

ACK 全称为 Acknowledge character，即确认字符，示意发来的数据已确认接纳无误。

在客户机和客户机之间建设反常的TCP网络衔接时，发送端首先收回一个SYN信息，接纳端经常使用SYN + ACK应对示意接纳到了这个信息，最后发送端再以ACK信息照应。

全体流程如下：

成功三次握手之后，发送端和接纳端之间建设起牢靠的 TCP 衔接，客户端运行程序与主机运行程序就可以开局传送数据了。

3.2.3、传输数据

当客户端要与服务端通讯时，客户端首先要创立一个 Socket 实例，也就是指定指标主机的 IP 和端口。

自动操作系统将为这个 Socket 实例调配一个没有被经常使用的本地端口号，并创立一个蕴含本地、远程地址和端口号的套接字数据结构，这个数据结构将不时保留在系统中直到这个衔接封锁。

 static void mainString args throws IOException {//经过IP和端口与服务端建设衔接Socket socket new Socket//将字符流转化成字节流，并输入BufferedWriter bufferedWriter new BufferedWriternew OutputStreamWritersocketgetOutputStreamString strbufferedWriterstrbufferedWriterflushbufferedWriter}

 static void mainString args throws Exception {//初始化服务端socket并且绑定 8080 端口ServerSocket serverSocket  new ServerSocket//循环监听一切衔接的客户端恳求 {try {Socket socket  serverSocketaccept//将字节流转化成字符流，读取客户端输入的内容BufferedReader bufferedReader new BufferedReadernew InputStreamReadersocketgetInputStreamString str  bufferedReaderreadLineSystemprintln"服务端收到客户端发送的信息："  str} catch Exception e {}}}

咱们先启动服务端程序，再运转客户端，服务端收到客户端发送的信息，打印结果如下：

服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是客户端!

留意，客户端只要与服务端建设三次握手成功之后，才会发送数据，而 TCP/IP 握手环节，底层操作系统曾经帮咱们成功了！

当衔接曾经建设成功，服务端和客户端都会领有一个Socket实例，每个Socket实例都有一个InputStream和OutputStream，正如咱们前面所说的，网络 I/O 都是以字节传达输的，Socket正是经过这两个对象来替换数据。

当Socket对象创立时，操作系统同时将会为InputStream和OutputStream区分调配必定大小的缓冲区，数据的写入和读取都是经过这个缓存区成功的。

发送端将数据写到OutputStream对应的SendQ队列中，当队列填满时，数据将被发送到另一端InputStream的RecvQ队列中，假设这时RecvQ曾经满了，那么OutputStream的write方法将会阻塞直到RecvQ队列有足够的空间容纳SendQ发送的数据。

值得特意留意的是，缓存区的大小以及写入端的速度和读取端的速度十分影响这个衔接的数据传输效率，由于或许会出现阻塞，所以网络 I/O 和磁盘 I/O 在数据的写入和读取还要有一个协调的环节，假设两头同时传送数据，或许会发生死锁的疑问。

如何提高网络 IO 传输效率、保障数据传输的牢靠，这个咱们前面独自开篇启动解说。

四、小结

本文论述的内容较多，整合了很多有用的信息，从 Java 基本的 I/O 类库结构开局说起，关键引见了 IO 的传输格局和传输方式，包括字节流和字符流接口关系的分类引见，以及磁盘 I/O 和网络 I/O 的基本上班方式。

五、参考

1、