Java中IO模型---面试问题

Posted 2020-12-18 王牌飞行员申请出战

一般对于程序员来说，对io流的操作都不陌生，但是大部分程序员都仅限于对流的读写操作，字符流、字节流等等，下面这些问题你了解过吗？

• 说一下java中的io流

java中io流可以按照数据流的方向分为输入流和输出流；也可以按照处理数据单位不同分为字符流和字节流。

字符流：一次读入或写入16位二进制；

字节流：一次读入或写入8位二进制；

JDK中流操作的类：FileInputStream，FileOutputStream，FileReader，FileWriter

继承自：inputStream（字节输入流），outputStream（字节输出流），reader（字符输入流），writer（字符输出流）

 

• 字符流和字节流你是怎么选择的

字符流和字节流使用非常相似，实际上字节流操作不会经过缓冲区（内容）而是直接操作文本本身；而字符流则相反，通过缓冲区操作文本。

选择需要看业务情况，如果频繁操作字符串如读写txt文档，选择用字符流，因为字符流具备缓冲区，能提高性能；如果是读写磁盘文件如图片，使用字节流。

• io模型

• 阻塞io模型

最传统经典的一种模型，在数据读写时会发生阻塞。当用户线程发出io请求后，cpu会查看数据是否已经被准备好，如果没有准备好就用户线程阻塞，交出cpu，直到数据被准备好再进行读写；等到数据就绪后，cpu会将数据拷贝到用户线程并返回结果，用户线程才会取消阻塞。

socket的read()还有BufferedReader和readUTF()等都是阻塞函数。

• 非阻塞io模型

当用户线程发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。如果结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。

但是对于非阻塞IO就有一个非常严重的问题，在while循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪，这样会导致CPU占用率非常高，因此一般情况下很少使用while循环这种方式来读取数据。

while(true){
data = socket.read();
if(data!= error){
//处理数据
break;
}
}

• 多路复用io模型

多路复用IO模型是目前使用得比较多的模型。Java NIO实际上就是多路复用IO。在多路复用IO模型中，会有一个线程不断去轮询多个socket的状态，只有当socket真正有读写事件时，才真正调用实际的IO读写操作。因为在多路复用IO模型中，只需要使用一个线程就可以管理多个socket，系统不需要建立新的进程或者线程，也不必维护这些线程和进程，并且只有在真正有socket读写事件进行时，才会使用IO资源，所以它大大减少了资源占用。在Java NIO中，是通过selector.select()去查询每个通道是否有到达事件，如果没有事件，则一直阻塞在那里，因此这种方式会导致用户线程的阻塞。多路复用IO模式，通过一个线程就可以管理多个socket，只有当socket真正有读写事件发生才会占用资源来进行实际的读写操作。因此，多路复用IO比较适合连接数比较多的情况。

另外多路复用IO为何比非阻塞IO模型的效率高是因为在非阻塞IO中，不断地询问socket状态时通过用户线程去进行的，而在多路复用IO中，轮询每个socket状态是内核在进行的，这个效率要比用户线程要高的多。

不过要注意的是，多路复用IO模型是通过轮询的方式来检测是否有事件到达，并且对到达的事件逐一进行响应。因此对于多路复用IO模型来说，一旦事件响应体很大，那么就会导致后续的事件迟迟得不到处理，并且会影响新的事件轮询。

• 信号驱动io模型

在信号驱动IO模型中，当用户线程发起一个IO请求操作，会给对应的socket注册一个信号函数，然后用户线程会继续执行，当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用IO读写操作来进行实际的IO请求操作。

• 异步io模型

异步IO模型才是最理想的IO模型，在异步IO模型中，当用户线程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从内核的角度，当它受到一个asynchronous read之后，它会立刻返回，说明read请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何block。然后，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户线程，当这一切都完成之后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它read操作完成了。也就说用户线程完全不需要实际的整个IO操作是如何进行的，只需要先发起一个请求，当接收内核返回的成功信号时表示IO操作已经完成，可以直接去使用数据了。 也就说在异步IO模型中，IO操作的两个阶段都不会阻塞用户线程，这两个阶段都是由内核自动完成，然后发送一个信号告知用户线程操作已完成。用户线程中不需要再次调用IO函数进行具体的读写。这点是和信号驱动模型有所不同的，在信号驱动模型中，当用户线程接收到信号表示数据已经就绪，然后需要用户线程调用IO函数进行实际的读写操作；而在异步IO模型中，收到信号表示IO操作已经完成，不需要再在用户线程中调用IO函数进行实际的读写操作。