Java IO流之BIO - 技术栈

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);

Socket socket = serverSocket.accept();

InputStream inputStream = socket.getInputStream();

byte[] bytes = new byte[1024];

int len = inputStream.read(bytes);

accept()阻塞

java 复制代码

Socket socket = serverSocket.accept();

作用：等待客户端连接

如果没有客户端连接：

当前线程会进入 WAIT 状态
CPU 不再执行这个线程
直到有客户端建立 TCP 连接

这就是 阻塞等待连接

用户线程

↓

JVM

↓

操作系统 socket API

↓

内核等待客户端连接

如果连接没来：线程挂起（阻塞）

read() 阻塞

java 复制代码

int len = inputStream.read(bytes);

作用：从 socket 缓冲区读取数据

如果：

客户端已经连接
但是没有发送数据

那么：线程继续阻塞

因为操作系统发现：socket 接收缓冲区为空

于是：线程睡眠等待数据到来

等客户端真正发送数据后：网卡 → 内核缓冲区 → 用户缓冲区

read 才返回数据

五、BIO 为什么性能差

BIO（Blocking I/O）性能差，根本原因不是"读写慢"，而是：

BIO 的并发模型成本太高

核心问题：

一个连接通常对应一个线程（One Connection One Thread）

大量线程会导致：

内存占用巨大
CPU 上下文切换严重
线程调度开销巨大
大量线程处于无意义阻塞状态

就会导致系统吞吐量急剧下降

BIO 的工作模型

传统 BIO 服务端：

java 复制代码

while (true) {
    Socket socket = serverSocket.accept();

    new Thread(() -> {
        handler(socket);
    }).start();
}

每来一个客户端：创建一个线程

线程内部：inputStream.read()，会阻塞等待数据

BIO 性能差的核心原因

1. 大量线程创建成本高

线程不是轻量对象，每个线程都需要：

JVM 栈内存
程序计数器
本地方法栈
Thread 对象
OS 内核线程资源

例如：默认线程栈：1MB

如果有10000 个连接

可能仅线程栈就：10000 × 1MB = 10GB

还不算：

Thread 对象
内核资源
JVM 元数据

所以：高并发下内存直接爆炸

2. 大量阻塞线程浪费资源

现实场景：大多数连接其实是空闲的

比如：

用户建立连接但不发数据
长连接心跳
慢请求
网络延迟

但 BIO 中：线程必须一直陪着连接

即使：99% 时间没数据，线程也不能释放

于是出现：大量线程在睡觉，但是还占用了大量的资源，导致线程资源浪费

3. CPU 上下文切换严重

线程多了以后：CPU 需要不断切换线程

什么是上下文切换？

CPU 执行线程 A：保存 A 的执行现场

切到线程 B：恢复 B 的执行现场

包括：

寄存器
程序计数器
栈信息
CPU cache

4. 阻塞导致 CPU 利用率低

BIO 的问题：线程一旦 read()，没数据就挂起

于是：CPU可能空闲，线程却很多

表现为：load 很高、CPU 却不高

因为：

系统忙于调度线程
不是忙于真正计算

5. 内核态/用户态频繁切换

BIO 每次 IO：

用户态

↓

内核态

↓

阻塞等待

↓

唤醒

↓

返回用户态

频繁系统调用：

accept
read
write

会产生：用户态与内核态切换成本

高并发下非常明显

连接1 → 线程1（阻塞）

连接2 → 线程2（阻塞）

连接3 → 线程3（阻塞）

连接4 → 线程4（阻塞）

...

连接10000 → 线程10000（阻塞）

问题：线程 ≈ 连接数导致系统性能降低或宕机

六、按数据类型区分

1. 字节流（Byte Stream）

文件字节：FileInputStream / FileOutputStream
缓冲字节：BufferedInputStream / BufferedOutputStream
对象流：ObjectInputStream / ObjectOutputStream

以：**字节(byte)**为单位处理数据

顶级抽象类

输入：InputStream

输出：OutputStream

可以处理所有数据：

图片
视频
文件
PDF
音频
文本

2. 字符流（Character Stream）

文件字符：FileReader / FileWriter
缓冲字符：BufferedReader / BufferedWriter（常用，带 readLine）
打印流：PrintWriter（自动换行、自动刷新）
转换流：InputStreamReader / OutputStreamWriter

以：**字符(char)**为单位处理

本质：字节 + 编码

顶级抽象类

输入：Reader

输出：Writer

专门处理文本

例如：

txt
json
xml
csv

为什么会有字符流？

因为：一个中文 ≠ 一个字节

例如 UTF-8：

字符	字节数
A	1
中	3

如果直接按字节读取可能乱码

所以：字符流自动处理编码与解码

七、按方向

输入流

由外部读取到Java内存中

输出流

由java内存中输出到别的地方，例如控制台、本地文件

八、核心流讲解

FileInputStream / FileOutputStream（基础字节流）

特点：一个字节一个字节读写，速度慢，无缓冲。示例：复制文件

java 复制代码

// 读
FileInputStream fis = new FileInputStream("a.jpg");
// 写
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("b.jpg");

byte[] buf = new byte[1024];
int len;
while ((len = fis.read(buf)) != -1) {
    fos.write(buf, 0, len);
}
fis.close();
fos.close();

FileReader / FileWriter（基础字符流）

只适合文本，不能处理图片 / 视频 ，默认跟随系统编码，不推荐使用 FileReader/FileWriter，因为无法指定编码，极易乱码

缓冲流 Buffered

原理：自带缓冲区，先读到内存缓冲区，批量读写，速度大幅提升

字节缓冲：BufferedInputStream / BufferedOutputStream
字符缓冲：BufferedReader（readLine() 读一行）/ BufferedWriter

示例：BufferedReader 读文本

java 复制代码

BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("test.txt"));
String line;
while ((line = br.readLine()) != null) {
    System.out.println(line);
}
br.close();

转换流

FileReader 不能指定编码，必须用转换流：

InputStreamReader(字节流, "UTF-8") 字节 → 字符，指定编码
OutputStreamWriter(字节流, "UTF-8") 字符 → 字节，指定编码

java 复制代码

BufferedReader br = new BufferedReader(
    new InputStreamReader(new FileInputStream("test.txt"),"UTF-8")
);

九、使用注意

字节流万能，字符流只文本
基础流慢，缓冲流最快
要指定编码不乱码 → 用转换流
读写对象 → 对象流 + 序列化
用完必须 close()，释放资源（try‑with‑resources 自动关闭）

优雅关闭资源try‑with‑resources

java 复制代码

try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("a.txt"))) {
    String s = br.readLine();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}