输入输出（I/O）：熟悉 Java 的 I/O 类库，尤其是 NIO 和文件操作

输入输出（I/O）：熟悉 Java 的 I/O 类库，尤其是 NIO 和文件操作

在 Java 中，I/O（输入输出）操作是开发中非常重要的一部分，用于与文件、网络和其他数据流交互。Java 提供了传统的 I/O（基于流的 I/O）和更现代的 NIO（非阻塞 I/O）两种方式。本文将带你熟悉 Java I/O 的核心类库，并重点介绍 NIO 的特点及文件操作相关内容。

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一、Java I/O 的基本概念

1.1 流（Stream）

流（Stream）是 Java I/O 的核心概念，代表了数据传输的路径。在 Java 中，流的概念被分为 输入流 和 输出流，并且每种流都可以分为字节流和字符流。

• 输入流（Input Stream）： 从数据源读取数据。
• 输出流（Output Stream）： 向目标写入数据。

字节流与字符流

• 字节流（Byte Stream）： 以字节为单位进行数据读写。适用于所有类型的I/O操作，包括文本、图像、音频等。
  • InputStream 和 OutputStream 是字节流的根类。
  • 常用类：FileInputStream, FileOutputStream, BufferedInputStream, BufferedOutputStream。
• 字符流（Character Stream）： 以字符为单位进行数据读写，适用于文本文件的处理。
  • Reader 和 Writer 是字符流的根类。
  • 常用类：FileReader, FileWriter, BufferedReader, BufferedWriter。

示例代码：字节流和字符流的使用

// 使用字节流读取文件
import java.io.*;

public class ByteStreamExample {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileInputStream inputStream = new FileInputStream("example.txt");
        int byteData;
        while ((byteData = inputStream.read()) != -1) {
            System.out.print((char) byteData); // 输出文件内容
        }
        inputStream.close();
    }
}

// 使用字符流读取文件
import java.io.*;

public class CharStreamExample {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileReader fileReader = new FileReader("example.txt");
        BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(fileReader);
        String line;
        while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) {
            System.out.println(line); // 输出文件内容
        }
        bufferedReader.close();
    }
}

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二、常见的 Java I/O 类库

2.1 文件操作类

1. File 类：

   是 Java 早期提供的文件操作类，提供了创建、删除文件和目录的功能。

   • 优点：操作简单。
   • 缺点：功能有限，不支持高级操作如复制、移动等。

示例代码：

import java.io.File;

public class FileExample {
    public static void main(String[] args) {
        File file = new File("example.txt");

        // 创建文件
        try {
            if (file.createNewFile()) {
                System.out.println("File created: " + file.getName());
            } else {
                System.out.println("File already exists.");
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 删除文件
        if (file.delete()) {
            System.out.println("Deleted the file: " + file.getName());
        }
    }
}

1. Files 类：

   Java 7 引入的 NIO 类，提供了文件操作的高级接口，支持复制、移动、删除等操作。

   • 优点：功能丰富，支持文件复制、移动、文件权限操作等。
   • 常用方法：copy(), move(), delete(), exists(), createDirectory() 等。

示例代码：使用 Files 类进行文件复制

import java.nio.file.*;

public class FilesExample {
    public static void main(String[] args) {
        Path source = Paths.get("source.txt");
        Path target = Paths.get("target.txt");

        try {
            Files.copy(source, target, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
            System.out.println("File copied successfully.");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

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三、Java NIO 的特点与使用

3.1 什么是 NIO？

NIO（New I/O）是 Java 1.4 引入的一组 API，旨在提供比传统 I/O 更高效的操作。它支持基于缓冲区和通道的 I/O 方式，能有效提高性能。

• 传统 I/O： 基于流，采用阻塞方式，即每次只能处理一个连接。
• NIO： 基于缓冲区和通道，支持非阻塞操作，并且能够处理多个 I/O 操作。

3.2 NIO 的核心组件

1. 通道（Channel）： NIO 中的通道类似于传统 I/O 中的流，但通道支持双向数据传输。常见的通道类包括：
   • FileChannel：用于文件的读取和写入。
   • SocketChannel：用于网络的客户端和服务端通信。
   • ServerSocketChannel：用于创建服务端套接字通道。
2. 缓冲区（Buffer）： NIO 中的数据读写都通过缓冲区进行，避免了流的每次读取。常见的缓冲区包括：
   • ByteBuffer：用于字节数据的处理。
   • CharBuffer：用于字符数据的处理。
3. 选择器（Selector）： 选择器允许单个线程同时监控多个通道的 I/O 操作。常用于网络 I/O。

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3.3 NIO 文件操作示例

示例：使用 FileChannel 和 ByteBuffer 读写文件

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class FileChannelExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("example.txt", "rw");
             FileChannel channel = file.getChannel()) {

            // 写数据到文件
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
            buffer.put("Hello NIO!".getBytes());
            buffer.flip();
            channel.write(buffer);

            // 读数据从文件
            buffer.clear();
            channel.read(buffer);
            buffer.flip();
            while (buffer.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) buffer.get());
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

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3.4 非阻塞 I/O 示例

示例：使用 Selector 实现多路复用

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;

public class NIONonBlockingExample {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Selector selector = Selector.open();
        ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverChannel.configureBlocking(false);
        serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
        serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
            selector.select();
            Iterator<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys().iterator();

            while (keys.hasNext()) {
                SelectionKey key = keys.next();
                keys.remove();

                if (key.isAcceptable()) {
                    SocketChannel client = serverChannel.accept();
                    client.configureBlocking(false);
                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } else if (key.isReadable()) {
                    SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(256);
                    client.read(buffer);
                    System.out.println("Received: " + new String(buffer.array()).trim());
                }
            }
        }
    }
}

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四、传统 I/O 与 NIO 的对比

特性	传统 I/O	NIO
数据处理方式	基于流	基于缓冲区
阻塞模式	阻塞 I/O	非阻塞 I/O 和多路复用
线程模型	每连接一个线程	单线程处理多个连接
性能	相对较低，适合小型系统	高性能，适合高并发场景
使用复杂度	简单易用	需要理解更多底层概念
适用场景	文件操作、小规模 I/O	高并发网络、文件大数据处理

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五、总结

• 通过本文，你了解了 Java I/O 的基础概念、常见类库及其用法，并深入探讨了 NIO 的核心特点与实际应用。在实际开发中：

  • 传统 I/O 适用于小规模、简单的 I/O 场景，使用简单直观。
  • NIO 更适合处理大规模、高并发的 I/O 场景，如高性能的网络服务器和大文件的异步处理。

  希望通过本文的学习，你可以更好地理解和选择适合的 I/O 模型，以提升 Java 开发中的性能和效率！