Java中IO类扫盲篇

一、简介

1. Java IO概述：
   Java的IO（输入/输出）是用于处理与外部设备、文件和网络资源之间数据传输的机制。它提供了一套丰富的类和方法，用于读取和写入数据，并提供了灵活的处理方式。

2. IO模型和IO流的概念：
   IO模型是指描述程序与外部设备进行数据交换的方式，主要有阻塞IO模型和非阻塞IO模型。阻塞IO模型是指程序在进行IO操作时会阻塞等待返回结果，而非阻塞IO模型是指程序在进行IO操作时可以继续执行其他任务，不需要等待返回结果。

IO流是Java中用来处理输入和输出的抽象概念。它将数据的输入和输出视为连续的数据流，通过流的方式进行读取和写入操作。Java中的IO流分为字节流和字符流两种类型，分别对应处理字节数据和字符数据。

3. Java IO类库的分类和用途：
   Java的IO类库可以分为两个大类：字节流和字符流。

• 字节流：以字节为单位进行读写操作，主要包括InputStream和OutputStream两个类，用于处理二进制数据，例如图片、视频等。
• 字符流：以字符为单位进行读写操作，主要包括Reader和Writer两个类，用于处理文本数据，例如文本文件等。

除了字节流和字符流，Java的IO类库还提供了许多其他类和接口，用于处理特定类型的数据或提供更高级别的功能，例如处理文件、网络通信等。

总结起来，Java的IO类库提供了丰富的工具和方法来进行各种输入和输出操作，能够满足不同场景下的需求。

二、字节流与字符流

1. 字节流（InputStream、OutputStream）介绍与用法

// 1.1 输入字节流的基本使用（FileInputStream、ByteArrayInputStream等）// 使用FileInputStream读取文件内容
try (InputStream inputStream = new FileInputStream("file.txt")) {int data;while ((data = inputStream.read()) != -1) {// 处理读取到的字节数据System.out.print((char) data);}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}// 1.2 输出字节流的基本使用（FileOutputStream、ByteArrayOutputStream等）// 使用FileOutputStream写入数据到文件
try (OutputStream outputStream = new FileOutputStream("file.txt")) {String data = "Hello, World!";outputStream.write(data.getBytes());
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}// 1.3 使用缓冲字节流提高IO性能（BufferedInputStream、BufferedOutputStream等）// 使用BufferedInputStream读取文件内容
try (InputStream inputStream = new BufferedInputStream(new FileInputStream("file.txt"))) {int data;while ((data = inputStream.read()) != -1) {// 处理读取到的字节数据System.out.print((char) data);}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}// 使用BufferedOutputStream写入数据到文件
try (OutputStream outputStream = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("file.txt"))) {String data = "Hello, World!";outputStream.write(data.getBytes());
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}

2. 字符流（Reader、Writer）介绍与用法

// 2.1 输入字符流的基本使用（FileReader、StringReader等）// 使用FileReader读取文件内容
try (Reader reader = new FileReader("file.txt")) {int data;while ((data = reader.read()) != -1) {// 处理读取到的字符数据System.out.print((char) data);}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}// 2.2 输出字符流的基本使用（FileWriter、StringWriter等）// 使用FileWriter写入数据到文件
try (Writer writer = new FileWriter("file.txt")) {String data = "Hello, World!";writer.write(data);
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}// 2.3 使用缓冲字符流提高IO性能（BufferedReader、BufferedWriter等）// 使用BufferedReader读取文件内容
try (Reader reader = new BufferedReader(new FileReader("file.txt"))) {int data;while ((data = reader.read()) != -1) {// 处理读取到的字符数据System.out.print((char) data);}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}// 使用BufferedWriter写入数据到文件
try (Writer writer = new BufferedWriter(new FileWriter("file.txt"))) {String data = "Hello, World!";writer.write(data);
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}

三、文件操作与目录遍历

1. File类的基本使用

// 1.1 创建、删除和重命名文件
File file = new File("file.txt");try {// 创建文件if (file.createNewFile()) {System.out.println("文件创建成功");}// 删除文件if (file.delete()) {System.out.println("文件删除成功");}// 重命名文件File newFile = new File("newFile.txt");if (file.renameTo(newFile)) {System.out.println("文件重命名成功");}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}// 1.2 获取文件信息（大小、路径、修改时间等）
File file = new File("file.txt");System.out.println("文件大小：" + file.length() + "字节");
System.out.println("文件路径：" + file.getAbsolutePath());
System.out.println("最后修改时间：" + new Date(file.lastModified()));// 1.3 文件遍历与过滤
File dir = new File("directory");// 遍历文件夹下的所有文件和子文件夹
for (File file : dir.listFiles()) {if (file.isFile()) {System.out.println("文件：" + file.getName());} else if (file.isDirectory()) {System.out.println("文件夹：" + file.getName());}
}

2. 目录遍历与递归操作

// 2.1 递归遍历目录下的文件
public static void listFiles(File directory) {File[] files = directory.listFiles();if (files != null) {for (File file : files) {if (file.isFile()) {System.out.println("文件：" + file.getName());} else if (file.isDirectory()) {System.out.println("文件夹：" + file.getName());listFiles(file);}}}
}// 调用递归遍历目录
listFiles(new File("directory"));// 2.2 搜索指定类型的文件
public static void searchFiles(File directory, String extension) {File[] files = directory.listFiles();if (files != null) {for (File file : files) {if (file.isFile() && file.getName().endsWith(extension)) {System.out.println("符合条件的文件：" + file.getName());} else if (file.isDirectory()) {searchFiles(file, extension);}}}
}// 调用搜索指定类型的文件
searchFiles(new File("directory"), ".txt");// 2.3 统计目录大小
public static long calculateDirectorySize(File directory) {long size = 0;File[] files = directory.listFiles();if (files != null) {for (File file : files) {if (file.isFile()) {size += file.length();} else if (file.isDirectory()) {size += calculateDirectorySize(file);}}}return size;
}// 获取目录大小
long size = calculateDirectorySize(new File("directory"));
System.out.println("目录大小：" + size + "字节");

四、序列化与反序列化

1. 序列化与反序列化概念和作用

序列化是将对象转换为字节序列的过程，用于对象的持久化或网络传输。反序列化是将字节序列转换回对象的过程。

2. 实现Serializable接口的对象序列化

// 2.1 序列化对象到文件
try (OutputStream outputStream = new FileOutputStream("object.ser")) {ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(outputStream);MyObject myObject = new MyObject();objectOutputStream.writeObject(myObject);System.out.println("对象序列化成功");
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}// 2.2 从文件反序列化对象
try (InputStream inputStream = new FileInputStream("object.ser")) {ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(inputStream);MyObject myObject = (MyObject) objectInputStream.readObject();System.out.println("对象反序列化成功");
} catch (IOException | ClassNotFoundException e) {e.printStackTrace();
}// 2.3 序列化对象到字节数组
try (ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream()) {ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(byteArrayOutputStream);MyObject myObject = new MyObject();objectOutputStream.writeObject(myObject);byte[] bytes = byteArrayOutputStream.toByteArray();System.out.println("对象序列化成功，字节数组长度：" + bytes.length);
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}

3. 自定义序列化与反序列化

// 3.1 实现Externalizable接口
public class MyObject implements Externalizable {private String data;// 必须提供默认构造方法public MyObject() {}// 实现writeExternal方法，手动控制序列化字段@Overridepublic void writeExternal(ObjectOutput out) throws IOException {out.writeObject(data);}// 实现readExternal方法，手动控制反序列化字段@Overridepublic void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException {data = (String) in.readObject();}
}// 3.2 控制序列化的过程（writeObject、readObject方法）
public class MyObject implements Serializable {private String data;private void writeObject(ObjectOutputStream out) throws IOException {out.defaultWriteObject();// 手动调用其他操作}private void readObject(ObjectInputStream in) throws IOException, ClassNotFoundException {in.defaultReadObject();// 手动调用其他操作}
}// 3.3 解决序列化版本兼容性问题
public class MyObject implements Serializable {private static final long serialVersionUID = 1L;...
}

五、NIO与异步IO

1. NIO概述及与传统IO的区别

NIO（New I/O）是Java提供的一种基于通道和缓冲区的IO模型，相比传统的IO模型，NIO具有更高的效率和灵活性。

2. 缓冲区(Buffer)的使用

// 2.1 ByteBuffer、CharBuffer等缓冲区类型
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
CharBuffer charBuffer = CharBuffer.allocate(1024);// 2.2 缓冲区的读写操作
byteBuffer.put((byte) 'H');
byteBuffer.put((byte) 'e');
byteBuffer.put((byte) 'l');
byteBuffer.put((byte) 'l');
byteBuffer.put((byte) 'o');
byteBuffer.flip();while (byteBuffer.hasRemaining()) {System.out.print((char) byteBuffer.get());
}

3. 通道(Channel)的基本使用

// 3.1 文件Channel的读写操作
try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("file.txt", "rw");FileChannel channel = file.getChannel()) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);int bytesRead = channel.read(buffer);while (bytesRead != -1) {buffer.flip();while (buffer.hasRemaining()) {System.out.print((char) buffer.get());}buffer.clear();bytesRead = channel.read(buffer);}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}// 3.2 Socket Channel和Server Socket Channel的使用
try (SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open()) {socketChannel.connect(new InetSocketAddress("example.com", 80));if (socketChannel.isConnected()) {System.out.println("连接成功");ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);socketChannel.read(buffer);buffer.flip();while (buffer.hasRemaining()) {System.out.print((char) buffer.get());}}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}

4. 选择器(Selector)的使用

选择器（Selector）是Java NIO（New IO）中的一个重要组件，用于实现非阻塞IO操作。它可以通过单个线程处理多个通道（Channel），从而提高系统的IO处理效率。

下面是使用选择器的基本步骤：

1. 创建选择器：使用Selector.open()方法创建一个Selector对象。

   Selector selector = Selector.open();
   

2. 注册通道：将需要监听IO事件的通道注册到选择器上。通道可以是一些可读、可写或可接受连接的网络通道，例如SocketChannel、ServerSocketChannel等。

   channel.configureBlocking(false); // 设置通道为非阻塞模式
   SelectionKey key = channel.register(selector, interestOps);
   

   其中，interestOps参数表示对该通道感兴趣的事件类型，包括SelectionKey.OP_READ（可读事件）、SelectionKey.OP_WRITE（可写事件）、SelectionKey.OP_ACCEPT（可接受连接事件）等。

3. 选择就绪通道：使用selector.select()方法来选择已经准备好进行IO操作的通道。该方法会阻塞直到至少有一个通道准备好，或者超时时间到达。

   int readyChannels = selector.select();
   

4. 处理就绪通道：使用selector.selectedKeys()方法获取选择器中已经就绪的键集合，然后遍历处理每个键对应的通道和事件。

   Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
   for (SelectionKey key : selectedKeys) {if (key.isReadable()) {// 处理可读事件} else if (key.isWritable()) {// 处理可写事件} else if (key.isAcceptable()) {// 处理可接受连接事件}// 其他事件处理...
   }
   

5. 取消选择键：在处理完通道后，一般需要将其对应的选择键取消，防止重复处理。

   key.cancel();
   

6. 关闭选择器：使用selector.close()方法关闭选择器，释放资源。

   selector.close();
   

使用选择器可以实现单个线程管理多个通道，提高了系统的IO处理效率。它适用于需要同时处理多个IO操作、提高系统吞吐量的场景，例如网络编程中的服务器端。

// 4.1 注册通道到选择器
try (ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();Selector selector = Selector.open()) {serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));serverSocketChannel.configureBlocking(false);serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while (true) {selector.select();Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();for (SelectionKey key : selectedKeys) {if (key.isAcceptable()) {// 处理接收事件ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel socketChannel = channel.accept();// ...} else if (key.isReadable()) {// 处理读取事件SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);int bytesRead = channel.read(buffer);// ...}selectedKeys.remove(key);}}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}// 4.2 监听通道事件
try (DatagramChannel datagramChannel = DatagramChannel.open();Selector selector = Selector.open()) {datagramChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));datagramChannel.configureBlocking(false);datagramChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);while (true) {selector.select();Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();for (SelectionKey key : selectedKeys) {if (key.isReadable()) {// 处理读取事件DatagramChannel channel = (DatagramChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);SocketAddress sender = channel.receive(buffer);// ...}selectedKeys.remove(key);}}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}// 4.3 多路复用(IO多路复用)
try (Selector selector = Selector.open()) {SocketChannel channel1 = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("example.com", 80));SocketChannel channel2 = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("example.org", 80));channel1.configureBlocking(false);channel2.configureBlocking(false);channel1.register(selector, SelectionKey.OP_READ);channel2.register(selector, SelectionKey.OP_READ);while (true) {selector.select();Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();for (SelectionKey key : selectedKeys) {if (key.isReadable()) {// 处理读取事件SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);channel.read(buffer);// ...}}}
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}

简介：本文介绍了Java中的IO类库，包括字节流、字符流的基本使用，文件操作与目录遍历，序列化与反序列化，以及NIO与异步IO的概念与使用。通过学习本文，读者能够掌握Java IO类的基本用法和核心概念，并且理解NIO的特点和优势。