java面试系列<4>——IO

面试系列——javaIO

一、概述

java的IO主要分为以下几类：

• 磁盘操作：File
• 字节操作：InputStream 和 OutputStream
• 字符操作：Reader 和 Writer
• 对象操作：Serializable
• 网络操作：Socket
• 新的输入/输出：NIO

二、磁盘操作

File类可以用于表示文件和目录的信息，但是它不代表文件的内容。

递归地列出一个目录下所有文件：

public static void listAllFiles(File dir) {
    if (dir == null || !dir.exists()) {
        return;
    }
    if (dir.isFile()) {
        System.out.println(dir.getName());
        return;
    }
    for (File file : dir.listFiles()) {
        listAllFiles(file);
    }
}

从java7开始，可以使用Paths和Files代替File。

三、字节操作

实现文件复制

public static void copyFile(String src, String dist) throws IOException {
    FileInputStream in = new FileInputStream(src);
    FileOutputStream out = new FileOutputStream(dist);

    byte[] buffer = new byte[20 * 1024];
    int cnt;

    // read() 最多读取 buffer.length 个字节
    // 返回的是实际读取的个数
    // 返回 -1 的时候表示读到 eof，即文件尾
    while ((cnt = in.read(buffer, 0, buffer.length)) != -1) {
        out.write(buffer, 0, cnt);
    }

    in.close();
    out.close();
}

装饰者模式

javaIO使用了装饰者模式来实现。以InpuStream为例：

• InputStream 是抽象组件；
• FileInputStream 是 InputStream 的子类，属于具体组件，提供了字节流的输入操作；
• FilterInputStream 属于抽象装饰者，装饰者用于装饰组件，为组件提供额外的功能。例如 BufferedInputStream 为 FileInputStream 提供缓存的功能。

{{uploading-image-591116.png(uploading...)}}

实 例化一个具有缓存功能的字节流对象时，只需要在 FileInputStream 对象上再套一层 BufferedInputStream 对象即可。

FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(filePath);
BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(fileInputStream);

DataInputStream 装饰者提供了对更多数据类型进行输入的操作，比如 int、double 等基本类型。

四、字符操作

编码与解码

编码就是把字符转为字节，而解码就是把字节重新组合成字符。

如果编码和解码过程使用不同的编码方式那么就出现了乱码。

• GBK 编码中，中文字符占 2 个字节，英文字符占 1 个字节；
• UTF-8 编码中，中文字符占 3 个字节，英文字符占 1 个字节；
• UTF-16be 编码中，中文字符和英文字符都占 2 个字节。

UTF-16be 中的 be 指的是 Big Endian，也就是大端。相应地也有 UTF-16le，le 指的是 Little Endian，也就是小端。

Java 的内存编码使用双字节编码 UTF-16be，这不是指 Java 只支持这一种编码方式，而是说 char 这种类型使用 UTF-16be 进行编码。char 类型占 16 位，也就是两个字节，Java 使用这种双字节编码是为了让一个中文或者一个英文都能使用一个 char 来存储。

String str1 = "中文";
byte[] bytes = str1.getBytes("UTF-8");
String str2 = new String(bytes, "UTF-8");
System.out.println(str2);

在调用无参数 getBytes() 方法时，默认的编码方式不是 UTF-16be。双字节编码的好处是可以使用一个 char 存储中文和英文，而将 String 转为 bytes[] 字节数组就不再需要这个好处，因此也就不再需要双字节编码。getBytes() 的默认编码方式与平台有关，一般为 UTF-8。

byte[] bytes = str1.getBytes();

Reader 与 Writer

不管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。但是在程序中操作的通常是字符形式的数据，因此需要提供对字符进行操作的方法。

• InputStreamReader 实现从字节流解码成字符流；
• OutputStreamWriter 实现字符流编码成为字节流。

实现逐行输出文本文件的内容

public static void readFileContent(String filePath) throws IOException {

    FileReader fileReader = new FileReader(filePath);
    BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(fileReader);

    String line;
    while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) {
        System.out.println(line);
    }

    // 装饰者模式使得 BufferedReader 组合了一个 Reader 对象
    // 在调用 BufferedReader 的 close() 方法时会去调用 Reader 的 close() 方法
    // 因此只要一个 close() 调用即可
    bufferedReader.close();
}

五、对象操作

序列化

序列化就是将一个对象转换成字节序列，方便存储和传输。

• 序列化：ObjectOutputStream.writeObject()
• 反序列化：ObjectInputStream.readObject()

不会对静态变量进行序列化，因为序列化只是保存对象的状态，静态变量属于类的状态。

Serializable

序列化的类需要实现 Serializable 接口，它只是一个标准，没有任何方法需要实现，但是如果不去实现它的话而进行序列化，会抛出异常。

public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {

    A a1 = new A(123, "abc");
    String objectFile = "file/a1";

    ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(objectFile));
    objectOutputStream.writeObject(a1);
    objectOutputStream.close();

    ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream(objectFile));
    A a2 = (A) objectInputStream.readObject();
    objectInputStream.close();
    System.out.println(a2);
}

private static class A implements Serializable {

    private int x;
    private String y;

    A(int x, String y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "x = " + x + "  " + "y = " + y;
    }
}

transient

transient 关键字可以使一些属性不会被序列化。

ArrayList 中存储数据的数组 elementData 是用 transient 修饰的，因为这个数组是动态扩展的，并不是所有的空间都被使用，因此就不需要所有的内容都被序列化。通过重写序列化和反序列化方法，使得可以只序列化数组中有内容的那部分数据。

private transient Object[] elementData;

六、网络操作

java中的网络支持：

• InetAddress:用于表示网络上的硬件资源，即IP地址
• URL：统一资源定位符
• Socke：使用TCP协议实现网络通信
• Datagram：使用UDP协议实现网络通信

InetAddress

没有公有的构造函数，只能通过静态方法来创建实例。

InetAddress.getByName(String host);
InetAddress.getByAddress(byte[] address);

URL

可以直接从URL中读取字节流数据。

public static void main(String[] args) throws IOException {

    URL url = new URL("http://www.baidu.com");

    /* 字节流 */
    InputStream is = url.openStream();
    /* 字符流 */
    InputStreamReader isr = new InputStreamReader(is, "utf-8");
    /* 提供缓存功能 */
    BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) {
        System.out.println(line);
    }
    br.close();
}

Sockets

• ServerSocket:服务端类
• Socket：客户端类
• 服务器和客户端通过InputStream和OutputStream进行输入输出

Datagram

• DatagramSocket：通信类
• DatagramPacket：数据包类

七、NIO

新的输入/输出（NIO）库时在jdk1.4中引入的，弥补了原来的IO的不足，提供了高速 的、面向块的IO。

流与块

IO与NIO最重要的区别是数据打包和传输的方式，IO以流的方式处理数据，而NIO以块的方式处理数据。

面向流的IO一次处理一个字节数据：一个输入流产生一个字节数据，一个输出流消费一个字节数据。为流式数据创建过滤器非常容易，链接几个过滤器，以便每个过滤器只负责复杂处理机制的一部分。不利的一面是，面向流的IO通常相当慢。

面向块的IO一次处理一个数据块，按块处理数据比按流处理数据要快得多。但是面向块的IO缺少一些面向流的IO所具有的优雅性和简单性。

通道与缓冲区

1、通道

通道Channel是对原IO包中的流的模拟，可以通过它读取和写入数据。

通道与流的不同之处在于，流只能在一个方向上流动感（一个流必须是inputStream或者OutputStream的子类）而通道是双向的，可以用于读、写或者同时用于读写。

通道包含以下类型：

• FileChannel：从文件中读取数据
• DatagramChannel：通过UDP读写网络中数据
• SocketChannel：通过TCP读写网络中数据
• ServerSocketChannel：可以监听新进来的TCP连接，对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel

2. 缓冲区

发送给一个通道的所有数据都必须首先放到缓冲区中，同样地，从通道中读取的任何数据都要先读到缓冲区中。也就是说，不会直接对通道进行读写数据，而是要先经过缓冲区。

缓冲区实质上是一个数组，但它不仅仅是一个数组。缓冲区提供了对数据的结构化访问，而且还可以跟踪系统的读/写进程。

缓冲区包括以下类型：

• ByteBuffer
• CharBuffer
• ShortBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer

3、选择器

NIO常常被叫做非阻塞IO，主要是因为NIO在网络通信中的非阻塞特性被广泛使用。NIO实现了IO多路复用的Reactor模型，一个线程Thread使用一个选择器Selector通过轮询的方式去监听多个通道Channel的事件，从而让一个线程就可以处理多个事件。（而IO在网络通信中，每当有一个socket连上，就开启一个线程，线程的创建和销毁是需要开销的，因此NIO的多路复用能够减少开销） 因此使用一个线程来处理多个事件而不是一个线程处理一个事件，对于 IO 密集型的应用具有很好地性能。

对比

NIO与普通IO的区别主要有以下两点：

• NIO是非阻塞的
• NIO面向块，IO面向流