Java IO

折叠伞Y
192 阅读12分钟

1、IO流分为几种？

  • Reader字符读取
  • Writer字符写出
  • InputStream字符读取
  • OuputStream字符写出

2、Java中的IO是什么？

可以从这几个方面来回答：输入输出的概念、IO的分类（介绍IO分类，包括字节流和字符流，以及它们的特点和适用场景。同时，可以提到Java中的IO操作还包括文件IO、网络IO、内存IO等）、IO特性、IO异常处理、IO性能优化（介绍Java中IO操作的性能优化，例如使用缓冲区、使用NIO、使用线程池等方法）、IO应用场景

总之，在回答Java中的IO是什么时，需要全面、准确地介绍Java中IO的相关知识点，以展示自己的专业能力和知识水平。

参考答案：

IO（Input Output）用于实现对数据的输入与输出操作，Java把不同的输入/输出源（键盘、文件、网络等）抽象表述为流（Stream）。流是从起源到接收的有序数据，有了它程序就可以采用同一方式访问不同的输入/输出源。

  • 按照数据流向，可以将流分为输入流和输出流，其中输入流只能读取数据、不能写入数据，而输出流只能写入数据、不能读取数据。
  • 按照数据类型，可以将流分为字节流和字符流，其中字节流操作的数据单元是8位的字节，而字符流操作的数据单元是16位的字符。
  • 按照处理功能，可以将流分为节点流和处理流，其中节点流可以直接从/向一个特定的IO设备（磁盘、网络等）读/写数据，也称为低级流，而处理流是对节点流的连接或封装，用于简化数据读/写功能或提高效率，也称为高级流。

Java提供了大量的类来支持IO操作，下表给大家整理了其中比较常用的一些类。其中，黑色字体的是抽象基类，其他所有的类都继承自它们。红色字体的是节点流，蓝色字体的是处理流。

image.png

根据命名很容易理解各个流的作用：

  • 以File开头的文件流用于访问文件；
  • 以ByteArray/CharArray开头的流用于访问内存中的数组；
  • 以Piped开头的管道流用于访问管道，实现进程之间的通信；
  • 以String开头的流用于访问内存中的字符串；
  • 以Buffered开头的缓冲流，用于在读写数据时对数据进行缓存，以减少IO次数；
  • InputStreamReader、InputStreamWriter是转换流，用于将字节流转换为字符流；
  • 以Object开头的流是对象流，用于实现对象的序列化；
  • 以Print开头的流是打印流，用于简化打印操作；
  • 以Pushback开头的流是推回输入流，用于将已读入的数据推回到缓冲区，从而实现再次读取；
  • 以Data开头的流是特殊流，用于读写Java基本类型的数据。

3、字节流与字符流的区别？

  1. 字节流以字节为单位进行输入输出，而字符流以字符为单位进行输入输出。

  2. 字节流适合所有类型文件的数据传输，因为计算机字节（Byte）是电脑中表示信息含义的最小单位。字符流只能够处理纯文本数据，其他类型数据不行，但是字符流处理文本要比字节流处理文本要方便。

  3. 字节流对于处理二进制数据比字符流更加高效，而字符流对于处理文本数据比字节流更加高效（字节流通常用于处理图像、音频等二进制数据，而字符流通常用于处理文本文件）。

  4. 字节流的基类是InputStream和OutputStream，而字符流的基类是Reader和Writer。

总之，字节流和字符流各有优缺点，选择使用哪种流取决于处理的数据类型和具体需求。

4、I/O的阻塞发生在哪里

I/O的阻塞发生在等待数据传输的过程中。当程序请求I/O操作时，它会等待数据从输入设备传输到内存中或从内存传输到输出设备中。如果数据传输速度较慢，程序可能会被阻塞，直到数据传输完成。此时，CPU无法执行其他任务，因为它需要等待I/O操作完成。

5、怎么用流打开一个大文件？

参考答案：

打开大文件，应避免直接将文件中的数据全部读取到内存中，可以采用分次读取的方式。

  1. 使用缓冲流。缓冲流内部维护了一个缓冲区，通过与缓冲区的交互，减少与设备的交互次数。使用缓冲输入流时，它每次会读取一批数据将缓冲区填满，每次调用读取方法并不是直接从设备取值，而是从缓冲区取值，当缓冲区为空时，它会再一次读取数据，将缓冲区填满。使用缓冲输出流时，每次调用写入方法并不是直接写入到设备，而是写入缓冲区，当缓冲区填满时它会自动刷入设备。
  2. 使用NIO。NIO采用内存映射文件的方式来处理输入/输出，NIO将文件或文件的一段区域映射到内存中，这样就可以像访问内存一样来访问文件了（这种方式模拟了操作系统上的虚拟内存的概念），通过这种方式来进行输入/输出比传统的输入/输出要快得多。

6、Java中NIO是什么？

面试时可以从NIO的概述、核心组件、与IO的区别、应用场景等方面进行回答。

答案：Java NIO（New IO）是Java1.4 中引入的新IO API，它提供了一种不同于Java IO（InputStream 和 OutputStream）的IO处理方式（这种处理方式是基于缓冲区和通道的IO处理方式）。相对于Java IO，NIO提供了更快、更高效、更灵活的 IO操作方式。

Java NIO主要由以下三个部分组成：

  1. 缓冲区(Buffer)：NIO中的缓冲区是一个连续的内存区域，用于存储数据。NIO通过缓冲区来实现数据的读写操作，缓冲区可以读写数据，并可以反转以实现读写转换。

  2. 通道(Channel)：NIO中的通道是一个双向的数据传输通道，可以通过通道进行数据的读写操作。NIO中的通道类似于Java IO中的流，但是通道可以同时进行读写操作，而流只能进行单向的读或写操作。

  3. 选择器(Selector)：NIO中的选择器是一个多路复用器，它可以同时监控多个通道的IO事件，当某个通道有IO事件发生时，选择器会通知该通道进行处理。

Java NIO相对于Java IO的优点在于：

  1. 更快的速度：NIO的缓冲区和通道可以直接操作内存，避免了Java IO中的数据复制操作，因此速度更快。

  2. 更高效的内存管理：NIO中的缓冲区可以使用直接内存，避免了Java IO中的堆内存和操作系统内存之间的数据拷贝，因此内存管理更高效。

  3. 更灵活的IO操作：NIO中的通道可以同时进行读写操作，而Java IO中的流只能进行单向的读或写操作，因此NIO更灵活。

总之，Java NIO提供了一种更快、更高效、更灵活的IO处理方式，适用于需要高性能IO操作的场景。

另可参考：请你讲一下Java NIO

7、IO和NIO的区别

IO和NIO都是Java中常见的输入输出方式，二者的区别主要有以下几个方面：

  1. 阻塞和非阻塞：IO是阻塞式的，当线程调用IO进行读写操作时，线程会一直等待，直到操作完成。而NIO是非阻塞式的，当线程调用NIO进行读写操作时，线程不会等待，而是继续执行其他任务，直到操作完成时才返回结果。

  2. 缓冲区：IO是面向流的，数据直接从输入流或输出流中读取或写入，没有缓冲区。而NIO是面向缓冲区的，数据先被读取到缓冲区中，再从缓冲区中读取或写入。

  3. 选择器：NIO提供了选择器(Selector)的支持，可以同时监控多个通道的数据状态，当有数据准备就绪时，选择器会通知程序进行处理。而IO没有选择器的概念。

  4. 线程模型：IO通常使用阻塞式的I/O模型，每个连接对应一个线程，当有大量的连接时，会导致线程数量过多，占用过多的系统资源。而NIO采用了多路复用的技术，使用少量的线程处理多个连接，可以大大减少线程数量，提高系统的并发性能。

  5. 数据处理方式：IO是字节流和字符流的处理方式，而NIO是基于通道(Channel)和缓存区(Buffer)的处理方式，基于Channel和Buffer的处理方式更加灵活，可以进行更加细粒度的控制。

总之，IO和NIO都有各自的优缺点，具体使用哪种方式要根据具体的业务场景和需求来选择。

8、通过故事讲清NIO

假设某银行只有10个职员。该银行的业务流程分为以下4个步骤：

  1. 顾客填申请表（5分钟）；
  2. 职员审核（1分钟）；
  3. 职员叫保安去金库取钱（3分钟）；
  4. 职员打印票据，并将钱和票据返回给顾客（1分钟）。

下面我们看看银行不同的工作方式对其工作效率到底有何影响。

首先是BIO方式。

每来一个顾客，马上由一位职员来接待处理，并且这个职员需要负责以上4个完整流程。当超过10个顾客时，剩余的顾客需要排队等候。

一个职员处理一个顾客需要10分钟（5+1+3+1）时间。一个小时（60分钟）能处理6个顾客，一共10个职员，那就是只能处理60个顾客。

可以看到银行职员的工作状态并不饱和，比如在第1步，其实是处于等待中。

这种工作其实就是BIO，每次来一个请求（顾客），就分配到线程池中由一个线程（职员）处理，如果超出了线程池的最大上限（10个），就扔到队列等待。

那么如何提高银行的吞吐量呢？

思路就是：分而治之，将任务拆分开来，由专门的人负责专门的任务。

具体来讲，银行专门指派一名职员A，A的工作就是每当有顾客到银行，他就递上表格让顾客填写。每当有顾客填好表后，A就将其随机指派给剩余的9名职员完成后续步骤。

这种方式下，假设顾客非常多，职员A的工作处于饱和中，他不断的将填好表的顾客带到柜台处理。

柜台一个职员5分钟能处理完一个顾客，一个小时9名职员能处理：9*（60/5）=108。

可见工作方式的转变能带来效率的极大提升。这种工作方式其实就NIO的思路。

下图是非常经典的NIO说明图，mainReactor线程负责监听server socket，接收新连接，并将建立的socket分派给subReactor

subReactor可以是一个线程，也可以是线程池，负责多路分离已连接的socket，读写网络数据。这里的读写网络数据可类比顾客填表这一耗时动作，对具体的业务处理功能，其扔给worker线程池完成

可以看到典型NIO有三类线程，分别是mainReactor线程、subReactor线程、work线程。

不同的线程干专业的事情，最终每个线程都没空着，系统的吞吐量自然就上去了。

image.png

那这个流程还有没有什么可以提高的地方呢？

可以看到，在这个业务流程里边第3个步骤，职员叫保安去金库取钱（3分钟）。这3分钟柜台职员是在等待中度过的，可以把这3分钟利用起来。

还是分而治之的思路，指派1个职员B来专门负责第3步骤。

每当柜台员工完成第2步时，就通知职员B来负责与保安沟通取钱。这时候柜台员工可以继续处理下一个顾客。

当职员B拿到钱之后，通知顾客钱已经到柜台了，让顾客重新排队处理，当柜台职员再次服务该顾客时，发现该顾客前3步已经完成，直接执行第4步即可。

在当今web服务中，经常需要通过RPC或者Http等方式调用第三方服务，这里对应的就是第3步，如果这步耗时较长，通过异步方式将能极大降低资源使用率。

NIO+异步的方式能让少量的线程做大量的事情。这适用于很多应用场景，比如代理服务、api服务、长连接服务等等。这些应用如果用同步方式将耗费大量机器资源。

不过虽然NIO+异步能提高系统吞吐量，但其并不能让一个请求的等待时间下降，相反可能会增加等待时间。

最后，NIO基本思想总结起来就是：分而治之，将任务拆分开来，由专门的人负责专门的任务。

avatar
文章
阅读
粉丝