一、摘要

說到 IO，相信大家都不陌生，英文全稱：Input/Output，即輸入/輸出，通常指數(shù)據(jù)在內(nèi)部存儲器和外部存儲器或其他周邊設(shè)備之間的輸入和輸出。

比如我們常用的SD卡、U盤、移動硬盤等等存儲文件的硬件設(shè)備，當我們將其插入電腦的 usb 硬件接口時，我們就可以從電腦中讀取設(shè)備中的信息或者寫入信息，這個過程就涉及到 I/O 的操作。

當然，涉及 I/O 的操作，也不僅僅局限于硬件設(shè)備的讀寫，還有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。比如，我們在電腦上用瀏覽器搜索互聯(lián)網(wǎng)上的信息，這個信息的過程也涉及到 I/O 的操作。

無論是從磁盤中讀寫文件，還是在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)，可以說 I/O 主要為處理人機交互、機與機交互中獲取和交換信息提供的一套解決方案。

在 Java 的 IO 體系中，類將近有 80 個，位于java.io包下，初步看起來感覺非常復(fù)雜，但是經(jīng)過一番梳理之后，你會發(fā)現(xiàn)還是有規(guī)律可循的。

從傳輸數(shù)據(jù)的格式角度看，可以大致分為兩組：

• 基于字節(jié)操作的 I/O 接口：InputStream 和 OutputStream
• 基于字符操作的 I/O 接口：Reader 和 Writer

從傳輸數(shù)據(jù)的方式角度看，也可以大致分為兩組：

• 基于磁盤操作的 I/O 接口：File
• 基于網(wǎng)絡(luò)操作的 I/O 接口：Socket

雖然 Socket 類并不在java.io包下，但是我們?nèi)匀话阉鼈儎澐衷谝黄?，因?I/O 的核心問題，要么是數(shù)據(jù)格式影響 I/O 操作，要么是傳輸方式影響 I/O 操作，也就是將什么樣的數(shù)據(jù)寫到什么地方的問題。

I/O 只是人與機器或者機器與機器交互的手段，除了在它們能夠完成這個交互功能外，我們關(guān)注的就是如何提高它的運行效率，而數(shù)據(jù)格式和傳輸方式是影響效率最關(guān)鍵的因素。

下面我們基于這兩點，來展開分析！

二、傳輸格式的分類

從傳輸格式角度看，可以分兩類：字節(jié)流和字符流。

• 基于字節(jié)的輸入和輸出操作接口分別是：InputStream 和 OutputStream
• 基于字符的輸入和輸出操作接口分別是：Reader 和 Writer 。

2.1、字節(jié)流接口

字節(jié)流，是 I/O 流中最底層的流，能處理任何類型的數(shù)據(jù)傳輸，比如文字、圖片、視頻、文件等。

2.1.1、基于字節(jié)輸入流的接口

打開 JDK 源碼，整理之后，InputStream 輸入流接口的類繼承層次如下圖所示：

這些輸入流類，根據(jù)角色不同，還可以進行分類，分為：節(jié)點流和處理流。

• 節(jié)點流：指的是向指定的設(shè)備，比如磁盤、網(wǎng)絡(luò)，進行讀/寫數(shù)據(jù)，也被稱為底層流，直接和數(shù)據(jù)源相接
• 處理流：指的是在已存在的節(jié)點流或者處理流基礎(chǔ)上，包裝一些更加方便操作 io 流的功能，比如壓縮、序列化、緩沖操作等，也被稱為包裝流

輸入流類，根據(jù)角色的劃分類別如下：

OutputStream 輸出流的類層次結(jié)構(gòu)也是類似。

2.1.2、基于字節(jié)輸出流的接口

OutputStream 輸入流接口的類繼承層次如下圖所示：

字節(jié)輸出流類，根據(jù)角色的劃分類別如下：

這里就不詳細的介紹各個子類的使用方法，有興趣的朋友可以查看 JDK 的 API 說明文檔，筆者也會在后期的系列文章會進行詳細的介紹。

這里只是重點想說一下，無論是輸入還是輸出，操作數(shù)據(jù)的方式可以組合使用，各個處理流的類并不是只操作固定的節(jié)點流，比如如下輸出方式：

//將文件輸出流包裝到序列化輸出流中，再將序列化輸出流包裝到緩沖中
OutputStream out = new BufferedOutputStream(new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(new File("fileName")))；

另外，輸出流最終寫到什么地方必須要指定，要么是寫到硬盤中，要么是寫到網(wǎng)絡(luò)中，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，寫網(wǎng)絡(luò)實際上也是寫文件，只不過寫到網(wǎng)絡(luò)中，需要經(jīng)過底層操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到其他指定的計算機中，而不是寫入到本地硬盤中。

2.2、字符流接口

不管是磁盤還是網(wǎng)絡(luò)傳輸，最小的存儲單元都是字節(jié)，而不是字符，所以 I/O 操作的都是字節(jié)而不是字符。

那為什么要有操作字符的 I/O 接口呢？

這是因為我們的程序中通常操作的數(shù)據(jù)都是以字符形式，為了程序操作更方便而提供一個直接寫字符的 I/O 接口，僅此而已！

除此之外，使用字節(jié)流操控文字時不是很方便，容易亂碼，由此誕生了不同的字符集以及對應(yīng)的字符編碼規(guī)則！

由于全世界的文字博大精深，不同的字符集，占用的字節(jié)位數(shù)不同，以中文為例，在GBK編碼規(guī)則中，一個中文使用二個字節(jié)存儲；而在UTF-8編碼規(guī)則中，一個中文使用三個字節(jié)存儲，如果寫入和讀取的編碼規(guī)則不一樣，讀取的字節(jié)數(shù)很容易裂開，導(dǎo)致出現(xiàn)亂碼。

比如以下案例：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    byte[] bytes = "學(xué)習(xí)Java語言".getBytes("ISO8859-1");
    File file = new File("encoding.txt");
    OutputStream out = new FileOutputStream(file);
    out.write(bytes);
    out.close();
}

文件的內(nèi)容如下：

??Java??

為了更方便地處理中文這些字符，計算機就推出了字符編碼規(guī)則。

實現(xiàn)原理：字節(jié)流 + 編碼表。

• 當寫入一段文字時，會使用指定的字符集，將該 String 編碼為一系列字節(jié)，將結(jié)果存儲到新的字節(jié)數(shù)組中，進行傳輸
• 當讀取一段文字時，通過指定的字符集，解碼指定的字節(jié)數(shù)組來構(gòu)造新的 String，從而解決文字亂碼的問題。

2.2.1、基于字符輸入流的接口

Reader 輸入流接口的類繼承層次如下圖所示：

同樣的，字符輸入流類，根據(jù)角色的劃分類別如下：

2.2.2、基于字符輸出流的接口

Writer 輸出流的類繼承層次如下圖所示：

字符輸出流類，根據(jù)角色的劃分類別如下：

2.3、字節(jié)與字符的轉(zhuǎn)化

剛剛我們說到，不管是磁盤還是網(wǎng)絡(luò)傳輸，最小的存儲單元都是字節(jié)，而不是字符，設(shè)計字符的原因是為了程序更方便的操作文本。

那么怎么將字符轉(zhuǎn)化成字節(jié)或者將字節(jié)轉(zhuǎn)化成字符呢？

其中，InputStreamReader和OutputStreamWriter就是轉(zhuǎn)化橋梁。

2.3.1、輸入流轉(zhuǎn)換方案

輸入流字符解碼相關(guān)類結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化過程如下圖所示：

從圖上可以看到，InputStreamReader類是字節(jié)到字符的轉(zhuǎn)化橋梁， 其中StreamDecoder指的是一個解碼操作類，Charset指的是字符集。

InputStream到Reader的過程需要指定編碼字符集，否則將采用操作系統(tǒng)默認字符集，很可能會出現(xiàn)亂碼問題，StreamDecoder則是完成字節(jié)到字符的解碼的實現(xiàn)類。

案例如下：

File file = new File("encoding.txt");
FileInputStream inputStream =new FileInputStream(file);
//字節(jié)輸入流轉(zhuǎn)為字符輸入流
InputStreamReader streamReader =new InputStreamReader(inputStream, Charset.forName("UTF-8"));

2.3.2、輸出流轉(zhuǎn)換方案

輸出流轉(zhuǎn)化過程也是類似，如下圖所示：

通過OutputStreamWriter類完成字符到字節(jié)的編碼過程，由StreamEncoder 完成編碼過程。

案例如下：

File file = new File("output.txt");
FileOutputStream outputStream =new FileOutputStream(file);
//字符輸出流轉(zhuǎn)字節(jié)輸出流
OutputStreamWriter streamWriter =new OutputStreamWriter(outputStream, Charset.forName("UTF-8"));

三、傳輸方式的分類

上文我們介紹了數(shù)據(jù)的傳輸格式，可以通過字節(jié)流和字符流接口來完成數(shù)據(jù)的傳輸，至于數(shù)據(jù)寫到何處，主要取決于數(shù)據(jù)的傳輸方式。

從傳輸方式角度看，可以分兩類：磁盤和網(wǎng)絡(luò)。

• 基于磁盤操作的操作接口是：File
• 基于網(wǎng)絡(luò)操作的操作接口是：Socket

3.1、文件接口

我們知道數(shù)據(jù)在磁盤的唯一最小描述就是文件，也就是說上層應(yīng)用程序只能通過文件來操作磁盤上的數(shù)據(jù)，文件也是操作系統(tǒng)和磁盤驅(qū)動器交互的一個最小單元。

在 Java I/O 體系中，**File類是唯一代表磁盤文件本身的對象**。

File 類定義了一些與平臺無關(guān)的方法來操作文件，包括檢查一個文件是否存在、創(chuàng)建、刪除文件、重命名文件、判斷文件的讀寫權(quán)限是否存在、設(shè)置和查詢文件的最近修改時間等等操作。

值得注意的是 Java 中通常的 File 并不代表一個真實存在的文件對象，當你通過指定一個路徑描述符時，它就會返回一個代表這個路徑相關(guān)聯(lián)的一個虛擬對象，這個可能是一個真實存在的文件或者是一個包含多個文件的目錄。

例如，讀取一個文件內(nèi)容，程序如下：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    StringBuilder str = new StringBuilder();
    char[] buf = new char[1024];

    // 讀取文件的內(nèi)容
    FileReader f = new FileReader("input.txt");
    while(f.read(buf)>0){
        str.append(buf);
    }
    str.toString();
}

以上面的程序為例，從硬盤中讀取一段文本字符，操作流程如下圖：

當我們傳入一個指定的文件名來創(chuàng)建File對象，通過FileReader來讀取文件內(nèi)容時，會自動創(chuàng)建一個FileInputStream對象來讀取文件內(nèi)容，也就是我們上文中所說的字節(jié)流來讀取文件。

緊接著，會創(chuàng)建一個FileDescriptor的對象，其實這個對象就是真正代表一個存在的文件對象的描述。

由于我們需要讀取的是字符格式，所以需要StreamDecoder類通過解碼方法decode，將字節(jié)轉(zhuǎn)字符，至于如何從磁盤驅(qū)動器上讀取一段數(shù)據(jù)，由操作系統(tǒng)幫我們完成。

3.2、網(wǎng)絡(luò)接口

繼續(xù)來說說數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧硪环N處理方式：網(wǎng)絡(luò)通信。

3.2.1、Socket 簡介

在 Java 網(wǎng)絡(luò)體系中，Socket是描述計算機之間完成相互通信一種抽象定義。

光從描述看可能很難理解，打個比方，可以把Socket比作為兩個城市之間的交通工具，有了它，就可以在城市之間來回穿梭了；并且，交通工具有多種，每種交通工具也有相應(yīng)的交通規(guī)則。

Socket 也一樣，也有多種，大部分情況下我們使用的都是基于 TCP/IP 的流套接字，它是一種穩(wěn)定的通信協(xié)議。

比較典型的基于 Socket 通信的應(yīng)用程序場景，如下圖：

主機 A 的應(yīng)用程序要想和主機 B 的應(yīng)用程序通信，必須通過 Socket 建立連接，而建立 Socket 連接必須需要底層 TCP/IP 協(xié)議來建立 TCP 連接。

3.2.2、建立通信鏈路

我們知道網(wǎng)絡(luò)層使用的 IP 協(xié)議可以幫助我們根據(jù) IP 地址來找到目標主機，但是一臺主機上可能運行著多個應(yīng)用程序，如何才能與指定的應(yīng)用程序通信呢？

這個時候需要通過 TCP 或 UPD 協(xié)議，也就是指定對應(yīng)的端口號。

通過 IP + 端口號，就可以創(chuàng)建一個代表唯一一個主機上的一個應(yīng)用程序的通信鏈路了，創(chuàng)建后的通信鏈路我們稱它為 Socket 實例。

以 TCP 協(xié)議為例，為了準確無誤地把數(shù)據(jù)送達目標處，TCP 協(xié)議采用了三次握手策略，如下圖：

其中，SYN 全稱為 Synchronize Sequence Numbers，表示同步序列編號，是 TCP/IP 建立連接時使用的握手信號。

ACK 全稱為 Acknowledge character，即確認字符，表示發(fā)來的數(shù)據(jù)已確認接收無誤。

在客戶機和客戶機之間建立正常的 TCP 網(wǎng)絡(luò)連接時，發(fā)送端首先發(fā)出一個 SYN 消息，接收端使用 SYN + ACK 應(yīng)答表示接收到了這個消息，最后發(fā)送端再以 ACK 消息響應(yīng)。

整體流程如下：

• 發(fā)送端 –（發(fā)送帶有 SYN 標志的數(shù)據(jù)包 ）–> 接受端（第一次握手）；
• 接受端 –（發(fā)送帶有 SYN + ACK 標志的數(shù)據(jù)包）–> 發(fā)送端（第二次握手）；
• 發(fā)送端 –（發(fā)送帶有 ACK 標志的數(shù)據(jù)包） –> 接受端（第三次握手）；

完成三次握手之后，發(fā)送端和接收端之間建立起可靠的 TCP 連接，客戶端應(yīng)用程序與服務(wù)器應(yīng)用程序就可以開始傳送數(shù)據(jù)了。

3.2.3、傳輸數(shù)據(jù)

當客戶端要與服務(wù)端通信時，客戶端首先要創(chuàng)建一個 Socket 實例，也就是指定目標服務(wù)器的 IP 和端口。

默認操作系統(tǒng)將為這個 Socket 實例分配一個沒有被使用的本地端口號，并創(chuàng)建一個包含本地、遠程地址和端口號的套接字數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將一直保存在系統(tǒng)中直到這個連接關(guān)閉。

• 客戶端簡單示例

public static void main(String[] args) throws IOException {
    //通過IP和端口與服務(wù)端建立連接
    Socket socket =new Socket("127.0.0.1",8080);
    //將字符流轉(zhuǎn)化成字節(jié)流，并輸出
    BufferedWriter bufferedWriter =new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));
    String str="Hello，我是客戶端!";
    bufferedWriter.write(str);
    bufferedWriter.flush();
    bufferedWriter.close();
}

• 服務(wù)端簡單示例

public static void main(String[] args) throws Exception {
    //初始化服務(wù)端socket并且綁定 8080 端口
    ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
    //循環(huán)監(jiān)聽所有連接的客戶端請求
    while (true){
        try {
            //等待客戶端的連接
            Socket socket = serverSocket.accept();
            //將字節(jié)流轉(zhuǎn)化成字符流，讀取客戶端輸入的內(nèi)容
            BufferedReader bufferedReader =new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            //讀取一行數(shù)據(jù)
            String str = bufferedReader.readLine();
            //輸出打印
            System.out.println("服務(wù)端收到客戶端發(fā)送的信息：" + str);
        } catch (Exception e) {
        }
    }
}

我們先啟動服務(wù)端程序，再運行客戶端，服務(wù)端收到客戶端發(fā)送的信息，打印結(jié)果如下：

服務(wù)端收到客戶端發(fā)送的信息：Hello，我是客戶端!

注意，客戶端只有與服務(wù)端建立三次握手成功之后，才會發(fā)送數(shù)據(jù)，而 TCP/IP 握手過程，底層操作系統(tǒng)已經(jīng)幫我們實現(xiàn)了！

當連接已經(jīng)建立成功，服務(wù)端和客戶端都會擁有一個Socket實例，每個Socket實例都有一個InputStream和OutputStream，正如我們前面所說的，網(wǎng)絡(luò) I/O 都是以字節(jié)流傳輸?shù)?，Socket正是通過這兩個對象來交換數(shù)據(jù)。

當Socket對象創(chuàng)建時，操作系統(tǒng)同時將會為InputStream和OutputStream分別分配一定大小的緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)的寫入和讀取都是通過這個緩存區(qū)完成的。

發(fā)送端將數(shù)據(jù)寫到OutputStream對應(yīng)的SendQ隊列中，當隊列填滿時，數(shù)據(jù)將被發(fā)送到另一端InputStream的RecvQ隊列中，如果這時RecvQ已經(jīng)滿了，那么OutputStream的write方法將會阻塞直到RecvQ隊列有足夠的空間容納SendQ發(fā)送的數(shù)據(jù)。

值得特別注意的是，緩存區(qū)的大小以及寫入端的速度和讀取端的速度非常影響這個連接的數(shù)據(jù)傳輸效率，由于可能會發(fā)生阻塞，所以網(wǎng)絡(luò) I/O 和磁盤 I/O 在數(shù)據(jù)的寫入和讀取還要有一個協(xié)調(diào)的過程，如果兩邊同時傳送數(shù)據(jù)，可能會產(chǎn)生死鎖的問題。

如何提高網(wǎng)絡(luò) IO 傳輸效率、保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?，這個我們后面單獨開篇進行講解。

四、小結(jié)

本文闡述的內(nèi)容較多，整合了很多有用的信息，從 Java 基本的 I/O 類庫結(jié)構(gòu)開始說起，主要介紹了 IO 的傳輸格式和傳輸方式，包括字節(jié)流和字符流接口相關(guān)的分類介紹，以及磁盤 I/O 和網(wǎng)絡(luò) I/O 的基本工作方式。

五、參考

1、https://developer.ibm.com/zh/articles/j-lo-javaio/