16.java.io 包下的类有哪些 + 面试题

java.io 包下的类有哪些 + 面试题

IO 介绍

IO 是 Input/Output 的缩写,它是基于流模型实现的,比如操作文件时使用输入流和输出流来写入和读取文件等。

IO 分类

传统的 IO,按照流类型我们可以分为:

  • 字符流
  • 字节流

其中,字符流包括 Reader、Writer;字节流包括 InputStream、OutputStream。
传统 IO 的类关系图,如下图所示:

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IO 使用

了解了 IO 之间的关系,下面我们正式进入实战环节,分别来看字符流(Reader、Writer)和字节流(InputStream、OutputStream)的使用。

① Writer 使用

Writer 可用来写入文件,请参考以下代码:

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// 给指定目录下的文件追加信息
Writer writer = new FileWriter("d:\\io.txt",true);
writer.append("老王");
writer.close();

这几行简单的代码就可以实现把信息 老王 追加到 d:\\io.txt 的文件下,参数二表示的是覆盖文字还是追加文字。

② Reader 使用

Reader 可用来读取文件,请参考以下代码:

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Reader reader = new FileReader("d:\\io.txt");
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(reader);
String str = null;
// 逐行读取信息
while (null != (str = bufferedReader.readLine())) {
System.out.println(str);
}
bufferedReader.close();
reader.close();
③ InputStream 使用

InputStream 可用来读取文件,请参考以下代码:

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InputStream inputStream = new FileInputStream(new File("d:\\io.txt"));
byte[] bytes = new byte[inputStream.available()];
// 读取到 byte 数组
inputStream.read(bytes);
// 内容转换为字符串
String content = new String(bytes, "UTF-8");
inputStream.close();
④ OutputStream 使用

OutputStream 可用来写入文件,请参考以下代码:

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OutputStream outputStream = new FileOutputStream(new File("d:\\io.txt"),true);
outputStream.write("老王".getBytes());
outputStream.close();

NIO 介绍

上面讲的内容都是 java.io 包下的知识点,但随着 Java 的不断发展,在 Java 1.4 时新的 IO 包出现了 java.nio,NIO(Non-Blocking IO)的出现解决了传统 IO,也就是我们经常说的 BIO(Blocking IO)同步阻塞的问题,NIO 提供了 Channel、Selector 和 Buffer 等概念,可以实现多路复用和同步非阻塞 IO 操作,从而大大提升了 IO 操作的性能。
前面提到同步和阻塞的问题,那下面来看看同步和阻塞结合都有哪些含义。

组合方式 性能分析
同步阻塞 最常用的一种用法,使用也是最简单的,但是 I/O 性能一般很差,CPU 大部分在空闲状态
同步非阻塞 提升 I/O 性能的常用手段,就是将 I/O 的阻塞改成非阻塞方式,尤其在网络 I/O 是长连接,同时传输数据也不是很多的情况下,提升性能非常有效。 这种方式通常能提升 I/O 性能,但是会增加 CPU 消耗,要考虑增加的 I/O 性能能不能补偿 CPU 的消耗,也就是系统的瓶颈是在 I/O 还是在 CPU 上
异步阻塞 这种方式在分布式数据库中经常用到。例如,在往一个分布式数据库中写一条记录,通常会有一份是同步阻塞的记录,而还有两至三份是备份记录会写到其他机器上,这些备份记录通常都是采用异步阻塞的方式写 I/O;异步阻塞对网络 I/O 能够提升效率,尤其像上面这种同时写多份相同数据的情况
异步非阻塞 这种组合方式用起来比较复杂,只有在一些非常复杂的分布式情况下使用,像集群之间的消息同步机制一般用这种 I/O 组合方式。例如,Cassandra 的 Gossip 通信机制就是采用异步非阻塞的方式。它适合同时要传多份相同的数据到集群中不同的机器,同时数据的传输量虽然不大,但是却非常频繁。这种网络 I/O 用这个方式性能能达到最高

了解了同步和阻塞的含义,下面来看 NIO 的具体使用,请参考以下代码:

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int port = 6666;
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try (Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();) {
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), port));
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
selector.select(); // 阻塞等待就绪的 Channel
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
try (SocketChannel channel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept()) {
channel.write(Charset.defaultCharset().encode("老王,你好~"));
}
iterator.remove();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();

new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// Socket 客户端 1(接收信息并打印)
try (Socket cSocket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), port)) {
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(cSocket.getInputStream()));
bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println("客户端 1 打印:" + s));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();

new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// Socket 客户端 2(接收信息并打印)
try (Socket cSocket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), port)) {
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(cSocket.getInputStream()));
bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println("客户端 2 打印:" + s));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();

以上代码创建了两个 Socket 客户端,用于收取和打印服务器端的消息。
其中,服务器端通过 SelectionKey(选择键)获取到 SocketChannel(通道),而通道都注册到 Selector(选择器)上,所有的客户端都可以获得对应的通道,而不是所有客户端都排队堵塞等待一个服务器连接,这样就实现多路复用的效果了。多路指的是多个通道(SocketChannel),而复用指的是一个服务器端连接重复被不同的客户端使用。

AIO 介绍

AIO(Asynchronous IO)是 NIO 的升级,也叫 NIO2,实现了异步非堵塞 IO ,异步 IO 的操作基于事件和回调机制。
AIO 实现简单的 Socket 服务器,代码如下:

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int port = 8888;
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
AsynchronousChannelGroup group = null;
try {
group = AsynchronousChannelGroup.withThreadPool(Executors.newFixedThreadPool(4));
AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(group).bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), port));
server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, AsynchronousServerSocketChannel>() {
@Override
public void completed(AsynchronousSocketChannel result, AsynchronousServerSocketChannel attachment) {
server.accept(null, this); // 接收下一个请求
try {
Future<Integer> f = result.write(Charset.defaultCharset().encode("Hi, 老王"));
f.get();
System.out.println("服务端发送时间:" + DateFormat.getDateTimeInstance().format(new Date()));
result.close();
} catch (InterruptedException | ExecutionException | IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
@Override
public void failed(Throwable exc, AsynchronousServerSocketChannel attachment) {
}
});
group.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS);
} catch (IOException | InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();

// Socket 客户端
AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open();
Future<Void> future = client.connect(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), port));
future.get();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
client.read(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Void>() {
@Override
public void completed(Integer result, Void attachment) {
System.out.println("客户端打印:" + new String(buffer.array()));
}

@Override
public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
exc.printStackTrace();
try {
client.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
Thread.sleep(10 * 1000);

相关面试题

1.使用以下哪个方法来判断一个文件是否存在?

A:createFile
B:exists
C:read
D:exist

答:B

2.以下说法错误的是?

A:同步操作不一定会阻塞
B:异步操作不一定会阻塞
C:阻塞一定是同步操作
D:同步或异步都可能会阻塞

答:C

题目解析:异步操作也可能会阻塞,比如分布式集群消息同步,采用的就是异步阻塞的方式。

3.BIO、NIO、AIO 的区别是什么?

答:它们三者的区别如下。

  • BIO 就是传统的 java.io 包,它是基于流模型实现的,交互的方式是同步、阻塞方式,也就是说在读入输入流或者输出流时,在读写动作完成之前,线程会一直阻塞在那里,它们之间的调用是可靠的线性顺序。它的优点就是代码比较简单、直观;缺点就是 IO 的效率和扩展性很低,容易成为应用性能瓶颈。
  • NIO 是 Java 1.4 引入的 java.nio 包,提供了 Channel、Selector、Buffer 等新的抽象,可以构建多路复用的、同步非阻塞 IO 程序,同时提供了更接近操作系统底层高性能的数据操作方式。
  • AIO 是 Java 1.7 之后引入的包,是 NIO 的升级版本,提供了异步非堵塞的 IO 操作方式,因此人们叫它 AIO(Asynchronous IO),异步 IO 是基于事件和回调机制实现的,也就是应用操作之后会直接返回,不会堵塞在那里,当后台处理完成,操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

简单来说 BIO 就是传统 IO 包,产生的最早;NIO 是对 BIO 的改进提供了多路复用的同步非阻塞 IO,而 AIO 是 NIO 的升级,提供了异步非阻塞 IO。

4.读取和写入文件最简洁的方式是什么?

答:使用 Java 7 提供的 Files 读取和写入文件是最简洁,请参考以下代码:

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// 读取文件
byte[] bytes = Files.readAllBytes(Paths.get("d:\\io.txt"));
// 写入文件
Files.write(Paths.get("d:\\io.txt"), "追加内容".getBytes(), StandardOpenOption.APPEND);

读取和写入都是一行代码搞定,可以说很简洁了。

5.Files 常用方法都有哪些?

答:Files 是 Java 1.7 提供的,使得文件和文件夹的操作更加方便,它的常用方法有以下几个:

  • Files. exists():检测文件路径是否存在
  • Files. createFile():创建文件
  • Files. createDirectory():创建文件夹
  • Files. delete():删除一个文件或目录
  • Files. copy():复制文件
  • Files. move():移动文件
  • Files. size():查看文件个数
  • Files. read():读取文件
  • Files. write():写入文件

6.FileInputStream 可以实现什么功能?

答:FileInputStream 可以实现文件的读取。

题目解析:因为 FileInputStream 和 FileOutputStream 很容易被记反,FileOutputStream 才是用来写入文件的,所以也经常被面试官问到。

7.不定项选择:为了提高读写性能,可以采用什么流?

A:InputStream
B:DataInputStream
C:BufferedReader
D:BufferedInputStream
E:OutputStream
F:BufferedOutputStream

答:D、F

题目解析:BufferedInputStream 是一种带缓存区的输入流,在读取字节数据时可以从底层流中一次性读取多个字节到缓存区,而不必每次都调用系统底层;同理,BufferedOutputStream 也是一种带缓冲区的输出流,通过缓冲区输出流,应用程序先把字节写入缓冲区,缓存区满后再调用操作系统底层,从而提高系统性能,而不必每次都去调用系统底层方法。

8.FileInputStream 和 BufferedInputStream 的区别是什么?

答:FileInputStream 在小文件读写时性能较好,而在大文件操作时使用 BufferedInputStream 更有优势。

9.以下这段代码运行在 Windwos 平台,执行的结果是?

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Files.createFile(Paths.get("c:\\pf.txt"), PosixFilePermissions.asFileAttribute(
EnumSet.of(PosixFilePermission.OWNER_READ)));

A:在指定的盘符产生了对应的文件,文件只读
B:在指定的盘符产生了对应的文件,文件只写
C:在指定的盘符产生了对应的文件,文件可读写
D:程序报错

答:D

题目解析:本题目考察的是 Files.createFile 参数传递的问题,PosixFilePermissions 不支持 Windows,因此在 Windows 执行会报错 java.lang.UnsupportedOperationException: ‘posix:permissions’ not supported as initial attribute。

总结

在 Java 1.4 之前只有 BIO(Blocking IO)可供使用,也就是 java.io 包下的那些类,它的缺点是同步阻塞式运行的。随后在 Java 1.4 时,提供了 NIO(Non-Blocking IO)属于 BIO 的升级,提供了同步非阻塞的 IO 操作方式,它的重要组件是 Selector(选择器)、Channel(通道)、Buffer(高效数据容器)实现了多路复用的高效 IO 操作。而 AIO(Asynchronous IO)也叫 NIO 2.0,属于 NIO 的补充和升级,提供了异步非阻塞的 IO 操作。

还有另一个重要的知识点,是 Java 7.0 时新增的 Files 类,极大地提升了文件操作的便利性,比如读、写文件 Files.write()、Files.readAllBytes() 等,都是非常简便和实用的方法。