Java 提供了哪些 IO 方式？ NIO 如何实现多路复用？

Java 提供了哪些 IO 方式？ NIO 如何实现多路复用？

I/O一直是软件开发中的核心部分之一. 伴随着海量的数据增长和分布式系统的发展. IO扩展显得尤为重要.

幸运的是. Java经过多年的发展, IO机制也不断地完善, 虽然仍有某些不足, 但已经在实践中证明了其构建高扩展性应用的能力.

所以: Java提供了哪些IO方式? NIO如何实现多路复用的呢?

典型回答:

Java IO 方式有很多种，基于不同的 IO 抽象模型和交互方式，可以进行简单区分。

首先，传统的 java.io 包，它基于流模型实现，提供了我们最熟知的一些 IO 功能，比如File 抽象、输入输出流等。交互方式是同步、阻塞的方式，也就是说，在读取输入流或者写入输出流时, 在读, 写动作完成之前, 线程会一直阻塞在那里. 它们之间的调用是可靠的线性顺序.

• 优点: 代码简单, 直观.
• 缺点: IO效率和扩展性存在局限性, 容易成为应用性能的瓶颈.

很多时候, 也把java.net下面提供的部分网络API, 比如Socket, ServerSocket, HttpURLConnection也归类到同步阻塞IO类库, 因为网络通信同样是IO行为.

第二, NIO（非阻塞IO）：Java NIO是一种基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的IO操作方式，它提供了非阻塞的IO操作。核心组件包括Selector、Channel和Buffer，通过Selector实现多路复用，使得单个线程可以同时处理多个通道的读写操作。[这个是Java1.4引入的nio框架. 提供了更接近操作系统底层的高性能数据操作方式].

第三. NIO.2（异步IO）：在Java 7中引入的NIO.2（也称为AIO）提供了异步IO操作的支持，通过AsynchronousSocketChannel、AsynchronousFileChannel等类实现异步IO操作。异步IO不需要等待数据的读取或写入完成，而是通过回调或者Future来处理IO操作的结果。

深入分析:

上面的分类方式, 就是一种常见的分类方式, 也就是所谓的BIO, NIO, NIO2[AIO].

当然, 在实际面试中, 从传统的IO到NIO, NIO2. 这其中的很多地方都可以扩展开来, 考察的知识点将会涉及到方方面面:

1. 基础的API功能与设计, inputstream/outputstream和Reader/Writer的关系和区别
2. NIO/NIO2的基本组成
3. 给定场景, 分别用不同模型实现, 分析BIO, NIO等模型的设计和实现原理
4. NIO提供的高性能数据操作方式是基于什么原理, 如何使用?
5. 从开发者角度来看, NIO自身存在哪些问题?有什么改进的额想法吗?

我想这些是当你面试的时候, 不得不准备的知识储备吧.

抽丝剥茧:

首先要区分一些基本的概念:

1. 区分同步和异步:

在Java中，同步操作是指当发起一个IO请求时，程序会一直等待IO操作完成，然后才能继续执行后续代码。这种方式会阻塞当前线程的执行。

异步操作是指当发起一个IO请求时，程序不需要等待IO操作完成，而是可以继续执行后续代码。IO操作通常在后台线程或专门的IO线程上执行，并通过回调或事件通知的方式来处理IO操作的结果。

简而言之，同步操作需要等待IO操作完成，而异步操作可以继续执行其他任务而无需等待。

在选择同步还是异步操作时，需要考虑到具体的应用场景和需求，以及对系统性能和并发能力的影响。

2. 区分阻塞和非阻塞:

   阻塞和非阻塞是描述在进行IO操作时程序的行为方式。

   阻塞是指当程序发起一个IO请求时，程序会一直等待IO操作完成，而不能执行其他任务。在阻塞状态下，程序无法继续往下执行，直到IO操作完成或出现异常。

   非阻塞是指当程序发起一个IO请求时，程序可以立即返回并继续执行后续代码，而不需要等待IO操作完成。在非阻塞状态下，程序可以进行其他任务或查询IO操作的状态，而不会被IO操作阻塞。

   简单来说，阻塞是一种等待的状态，程序会一直等待IO操作完成；而非阻塞则是一种立即返回的状态，程序可以继续执行其他任务。

   在选择阻塞还是非阻塞方式时，需要根据应用的需求和性能要求进行考虑。阻塞IO可以简单易用，但可能会造成程序的停顿和响应延迟；而非阻塞IO可以提高程序的并发性和响应性，但需要额外的编程和处理复杂性。

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不能一概而论认为同步或阻塞就是低效，具体还要看应用和系统特征。

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而对于java.io下， 在日常开发中都已经很熟悉了。

IO 不仅仅是对文件的操作，网络编程中，比如 Socket 通信，都是典型的 IO 操作目标。

输入流、输出流（InputStream/OutputStream）是用于读取或写入字节的，例如操作图片文件。

而 Reader/Writer 则是用于操作字符，增加了字符编解码等功能，适用于类似从文件中读取或者写入文本信息。本质上计算机操作的都是字节，不管是网络通信还是文件读取，Reader/Writer 相当于构建了应用逻辑和原始数据之间的桥梁。

BufferedOutputStream 等带缓冲区的实现，可以避免频繁的磁盘读写，进而提高 IO 处理效率。这种设计利用了缓冲区，将批量数据进行一次操作，但在使用中千万别忘了flush。

尤其是涉及到资源的问题， 一定要记得关闭资源。

NIO的一些知识储备：

1. 概况

   NIO（New I/O）是Java提供的一种基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的IO模型，相对于传统的流（Stream）模型，NIO提供了更高效的IO操作和更灵活的IO处理方式。

   NIO的主要组成部分包括：

   1. 通道（Channel）：通道是NIO中用于进行数据读写的对象，它可以与文件、套接字等进行交互。通道提供了高效的数据传输方式，并且可以实现非阻塞IO操作。

   2. 缓冲区（Buffer）：缓冲区是NIO中用于存储数据的对象，它提供了一块内存区域用于读写数据。在NIO中，数据的读写都是通过缓冲区来进行的，缓冲区可以直接与通道交互，实现高效的数据传输。

   3. 选择器（Selector）：选择器是NIO中用于监听多个通道事件的对象，它可以实现单线程管理多个通道的IO操作。通过选择器，程序可以在一个线程中监听多个通道上的事件，实现了单线程处理多个IO操作的能力。

   NIO的基本工作原理是通过将数据从通道读取到缓冲区，或者将数据从缓冲区写入到通道。同时，使用选择器可以在一个线程中监听多个通道上的事件，实现了非阻塞的IO操作。

   总结起来，NIO的主要组成部分包括通道、缓冲区和选择器，它们共同协作完成高效的IO操作。通过NIO，可以实现更灵活、高效的IO处理，适用于处理大量并发连接和高负载的场景。

2. NIO 能解决什么问题？

NIO（New I/O）在Java中提供了一种基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的IO模型，相对于传统的流（Stream）模型，NIO具有以下优势和能够解决的问题：

1. 非阻塞IO：NIO支持非阻塞IO操作，可以在等待IO完成的同时继续处理其他任务，提高系统的并发性和响应性。

2. 高效的IO操作：NIO使用直接的缓冲区访问和通道交互，避免了传统IO模型中的数据拷贝操作，提高了IO操作的效率。

3. 多路复用：通过选择器（Selector），NIO可以在单个线程中监听多个通道上的事件，实现了单线程处理多个IO操作，减少了线程切换的开销，提高了系统的吞吐量。

4. 支持网络编程：NIO提供了对网络编程的支持，可以使用NIO进行网络通信，包括处理TCP连接、读写数据等操作。

5. 可扩展性：NIO的模型可以很好地适应高并发的场景，通过适当的调整缓冲区和通道的数量，可以处理大量的并发连接。

具体的代码演示在这里

写在最后：

NIO 多路复用的局限性是什么呢？你遇到过相关的问题吗？

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ok，那就这样。