Java IO体系与NIO和BIO体系面试题

Posted 2022-02-20 赵广陆

目录

• 1 Java 中 IO 流？
• 2 Java IO与 NIO的区别
• 3 常用io类有那些
• 4 字节流与字符流的区别
• 5 阻塞 IO 模型
• 6 非阻塞 IO 模型
• 7 多路复用 IO 模型
• 8 信号驱动 IO 模型
• 9 异步 IO 模型
• 10 JAVA NIO
• 11 NIO 的缓冲区
• 12 NIO 的非阻塞
• 13 Channel
• 14 Buffer
• 15 Selector

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1 Java 中 IO 流？

Java文件上传下载删除文件输入输出流IO操作

Hutool操作和监听文件

Java 中 IO 流分为几种?

1. 按照流的流向分，可以分为输入流和输出流；
2. 按照操作单元划分，可以划分为字节流和字符流；
3. 按照流的角色划分为节点流和处理流。
   Java Io 流共涉及 40 多个类，这些类看上去很杂乱，但实际上很有规则，而且彼此之间存在非常紧密的联系， Java I0 流的 40 多个类都是从如下 4 个抽象类基类中派生出来的。
4. InputStream/Reader: 所有的输入流的基类，前者是字节输入流，后者是字符输入流。
5. OutputStream/Writer: 所有输出流的基类，前者是字节输出流，后者是字符输出流。

2 Java IO与 NIO的区别

NIO即New IO，这个库是在JDK1.4中才引入的。NIO和IO有相同的作用和目的，但实现方式不同，NIO 主要用到的是块，所以NIO的效率要
比IO高很多。在Java API中提供了两套NIO，一套是针对标准输入输出NIO，另一套就是网络编程NIO。

3 常用io类有那些

File
FileInputSteam，FileOutputStream
BufferInputStream，BufferedOutputSream
PrintWrite
FileReader，FileWriter
BufferReader，BufferedWriter
ObjectInputStream，ObjectOutputSream

4 字节流与字符流的区别

以字节为单位输入输出数据，字节流按照8位传输
以字符为单位输入输出数据，字符流按照16位传输

5 阻塞 IO 模型

最传统的一种 IO 模型，即在读写数据过程中会发生阻塞现象。当用户线程发出 IO 请求之后，内核会去查看数据是否就绪，如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用户线程交出 CPU。当数据就绪之后，内核会将数据拷贝到用户线程，并返回结果给用户线程，用 户线程才解除 block 状态。典型的阻塞 IO 模型的例子为： data = socket.read();如果数据没有就绪，就会一直阻塞在 read 方法

6 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。所以事实上，在非阻塞 IO 模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞 IO不会交出 CPU，而会一直占用 CPU。 典型的非阻塞 IO 模型一般如下：

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

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。

7 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。

8 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。

9 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。
注意，异步 IO 是需要操作系统的底层支持，在 Java 7 中，提供了 Asynchronous IO。
更多参考： http://www.importnew.com/19816.html

10 JAVA NIO

Java中IO流类的体系中BIO与NIO

NIO 主要有三大核心部分： Channel(通道)， Buffer(缓冲区), Selector。传统 IO 基于字节流和字符流进行操作， 而 NIO 基于 Channel 和Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。 Selector(选择区)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道。 NIO 和传统 IO 之间第一个最大的区别是， IO 是面向流的， NIO 是面向缓冲区的。

11 NIO 的缓冲区

Java IO 面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据， 需要先将它缓存到一个缓冲区。 NIO 的缓冲导向方法不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

12 NIO 的非阻塞

IO 的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用 read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 NIO 的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其它通道上执行 IO 操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

13 Channel

首先说一下 Channel，国内大多翻译成“通道”。 Channel 和 IO 中的 Stream(流)是差不多一个等级的。 只不过 Stream 是单向的，譬如：InputStream, OutputStream， 而 Channel 是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。NIO 中的 Channel 的主要实现有：

1. FileChannel
2. DatagramChannel
3. SocketChannel
4. ServerSocketChannel
   这里看名字就可以猜出个所以然来：分别可以对应文件 IO、 UDP 和 TCP（Server 和 Client）。下面演示的案例基本上就是围绕这 4 个类型的 Channel 进行陈述的。

14 Buffer

Buffer，故名思意， 缓冲区，实际上是一个容器，是一个连续数组。 Channel 提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer。
上面的图描述了从一个客户端向服务端发送数据，然后服务端接收数据的过程。客户端发送数据时，必须先将数据存入 Buffer 中，然后将Buffer 中的内容写入通道。服务端这边接收数据必须通过 Channel 将数据读入到 Buffer 中，然后再从 Buffer 中取出数据来处理。
在 NIO 中， Buffer 是一个顶层父类，它是一个抽象类，常用的 Buffer 的子类有：ByteBuffer、 IntBuffer、 CharBuffer、 LongBuffer、DoubleBuffer、 FloatBuffer、ShortBuffer

15 Selector

Selector 类是 NIO 的核心类， Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的响应处理。这样一来，只是用一个单线程就可以管理多个通道，也就是管理多个连接。这样使得只有在连接真正有读写事件发生时，才会调用函数来进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程，并且避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。