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IO与NIO

9/6/26JavaJava基础About 4 min

Java IO 体系概览

Java 的 IO 分为传统 BIO（java.io） 与 NIO（java.nio，JDK 4+），后来 NIO.2（JDK 7）又提供了 java.nio.file 与异步通道 AIO。按处理的数据单位可分为字节流与字符流。

  • 字节流（InputStream / OutputStream）：以 byte 为单位，适合所有二进制数据（图片、音视频、压缩包）。
  • 字符流（Reader / Writer）：以 char（字符）为单位，内部做了字节↔字符的编码转换，适合文本。

字节流 vs 字符流

维度字节流字符流
基类InputStream / OutputStreamReader / Writer
单位8 位字节16 位 Unicode 字符
是否编码不涉及编码，原样读写涉及字符集编解码
典型用途图片、音频、一切二进制文本文件

装饰器模式（Buffered）

Java IO 大量使用装饰器模式，用缓冲流包裹基础流以提升性能（减少系统调用次数）。

// 缓冲字节流复制文件
try (InputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("src.jpg"));
     OutputStream out = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("dst.jpg"))) {
    byte[] buf = new byte[8192];
    int len;
    while ((len = in.read(buf)) != -1) {
        out.write(buf, 0, len);
    }
}

// 缓冲字符流按行读取文本
try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("a.txt", StandardCharsets.UTF_8))) {
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) {
        System.out.println(line);
    }
}

序列化（Serializable）

对象序列化是把对象转换为字节序列，便于存储或网络传输；反序列化则相反。只需让类实现 java.io.Serializable 标记接口（无方法）。

class User implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L; // 版本号，建议显式声明
    private String name;
    private transient int temp; // transient 字段不参与序列化
}

// 序列化
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("u.dat"))) {
    oos.writeObject(new User("Tom"));
}
// 反序列化
try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("u.dat"))) {
    User u = (User) ois.readObject();
}

Warning

  • serialVersionUID 建议显式声明，否则类结构变化后反序列化会因 UID 不匹配失败。
  • transient 修饰的字段、static 字段不会被序列化。
  • Java 原生序列化体积大、性能差，生产环境多用 JSON（Jackson）或 Protobuf 等。

BIO / NIO / AIO 模型对比

模型全称工作方式线程模型
BIOBlocking IO阻塞式，一个连接一个线程1 连接 : 1 线程
NIONon-blocking IO（New IO）同步非阻塞，多路复用1 线程管理多连接
AIOAsynchronous IO异步非阻塞，回调通知回调驱动

BIO（传统阻塞 IO）

// 每来一个连接就新建一个线程处理，连接多时线程爆炸
ServerSocket server = new ServerSocket(8080);
while (true) {
    Socket socket = server.accept(); // 阻塞等待连接
    new Thread(() -> handle(socket)).start();
}

缺点：并发高时线程数暴涨，上下文切换开销大，伸缩性差。

NIO（多路复用）

NIO 的三大核心：Channel（通道）、Buffer（缓冲区）、Selector（选择器）。通过 Selector 单线程即可监听多个 Channel 的就绪事件。

Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false);             // 非阻塞
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

while (true) {
    selector.select();                    // 阻塞直到有事件就绪
    Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
    while (it.hasNext()) {
        SelectionKey key = it.next();
        if (key.isAcceptable()) { /* 接受新连接并注册读事件 */ }
        else if (key.isReadable()) { /* 从 Channel 读入 Buffer */ }
        it.remove();
    }
}

NIO 是同步非阻塞：应用线程自己调用 select() 轮询就绪事件（或由操作系统通知就绪后由用户线程处理 IO 读写），读写仍由用户线程完成。Netty、Redis 等高性能网络框架基于此模型。

AIO（异步 IO，NIO.2）

AIO 是异步非阻塞：应用发起 IO 请求后立即返回，真正的读写由操作系统完成后通过回调/ Future 通知。

AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open()
        .bind(new InetSocketAddress(8080));

server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {
    @Override
    public void completed(AsynchronousSocketChannel ch, Void att) {
        server.accept(null, this); // 继续接收下一个
        // 读取由系统完成，完成后回调
    }
    @Override
    public void failed(Throwable exc, Void att) { exc.printStackTrace(); }
});

NIO.2 文件操作（Files / Path）

JDK 7 引入 java.nio.file，日常文件操作用 Files + Path 比传统 File 更简洁强大。

Path path = Paths.get("test.txt");

Files.write(path, "hello".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)); // 写
List<String> lines = Files.readAllLines(path);               // 读全部行
Files.copy(path, Paths.get("copy.txt"), StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
Files.walk(Paths.get(".")).forEach(System.out::println);     // 遍历目录树
boolean exists = Files.exists(path);

选型建议

  • 普通文件读写、业务逻辑 → 传统 BIO + 缓冲流，简单直观即可。
  • 高并发网络服务器、需要同时处理大量连接 → NIO（或基于 NIO 的 Netty）。
  • 追求极致简洁的异步文件/网络 IO，且接受回调风格 → AIO（实际生产中 NIO 生态更成熟）。
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Contributors: dong4stop