輸入輸出（I/O）：熟悉 Java 的 I/O 類庫，尤其是 NIO 和文件操作

在 Java 中，I/O（輸入輸出）操作是開發(fā)中非常重要的一部分，用于與文件、網(wǎng)絡(luò)和其他數(shù)據(jù)流交互。Java 提供了傳統(tǒng)的 I/O（基于流的 I/O）和更現(xiàn)代的 NIO（非阻塞 I/O）兩種方式。本文將帶你熟悉 Java I/O 的核心類庫，并重點(diǎn)介紹 NIO 的特點(diǎn)及文件操作相關(guān)內(nèi)容。

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一、Java I/O 的基本概念

• 1.1 流（Stream）

  流（Stream）是 Java I/O 的核心概念，代表了數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?。?Java 中，流的概念被分為 輸入流 和 輸出流，并且每種流都可以分為字節(jié)流和字符流。

  • 輸入流（Input Stream）： 從數(shù)據(jù)源讀取數(shù)據(jù)。
  • 輸出流（Output Stream）： 向目標(biāo)寫入數(shù)據(jù)。

  字節(jié)流與字符流

  • 字節(jié)流（Byte Stream）： 以字節(jié)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。適用于所有類型的I/O操作，包括文本、圖像、音頻等。
    • InputStream 和 OutputStream 是字節(jié)流的根類。
    • 常用類：FileInputStream, FileOutputStream, BufferedInputStream, BufferedOutputStream。
  • 字符流（Character Stream）： 以字符為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，適用于文本文件的處理。
    • Reader 和 Writer 是字符流的根類。
    • 常用類：FileReader, FileWriter, BufferedReader, BufferedWriter。

  示例代碼：字節(jié)流和字符流的使用

  // 使用字節(jié)流讀取文件
  import java.io.*;public class ByteStreamExample {public static void main(String[] args) throws IOException {FileInputStream inputStream = new FileInputStream("example.txt");int byteData;while ((byteData = inputStream.read()) != -1) {System.out.print((char) byteData); // 輸出文件內(nèi)容}inputStream.close();}
  }// 使用字符流讀取文件
  import java.io.*;public class CharStreamExample {public static void main(String[] args) throws IOException {FileReader fileReader = new FileReader("example.txt");BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(fileReader);String line;while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) {System.out.println(line); // 輸出文件內(nèi)容}bufferedReader.close();}
  }
  

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二、常見的 Java I/O 類庫

2.1 文件操作類

1. File 類：

   是 Java 早期提供的文件操作類，提供了創(chuàng)建、刪除文件和目錄的功能。

   • 優(yōu)點(diǎn)：操作簡單。
   • 缺點(diǎn)：功能有限，不支持高級(jí)操作如復(fù)制、移動(dòng)等。

示例代碼：

import java.io.File;public class FileExample {public static void main(String[] args) {File file = new File("example.txt");// 創(chuàng)建文件try {if (file.createNewFile()) {System.out.println("File created: " + file.getName());} else {System.out.println("File already exists.");}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}// 刪除文件if (file.delete()) {System.out.println("Deleted the file: " + file.getName());}}
}

1. Files 類：

   Java 7 引入的 NIO 類，提供了文件操作的高級(jí)接口，支持復(fù)制、移動(dòng)、刪除等操作。

   • 優(yōu)點(diǎn)：功能豐富，支持文件復(fù)制、移動(dòng)、文件權(quán)限操作等。
   • 常用方法：copy(), move(), delete(), exists(), createDirectory() 等。

示例代碼：使用 Files 類進(jìn)行文件復(fù)制

import java.nio.file.*;public class FilesExample {public static void main(String[] args) {Path source = Paths.get("source.txt");Path target = Paths.get("target.txt");try {Files.copy(source, target, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);System.out.println("File copied successfully.");} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

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三、Java NIO 的特點(diǎn)與使用

3.1 什么是 NIO？

NIO（New I/O）是 Java 1.4 引入的一組 API，旨在提供比傳統(tǒng) I/O 更高效的操作。它支持基于緩沖區(qū)和通道的 I/O 方式，能有效提高性能。

• 傳統(tǒng) I/O： 基于流，采用阻塞方式，即每次只能處理一個(gè)連接。
• NIO： 基于緩沖區(qū)和通道，支持非阻塞操作，并且能夠處理多個(gè) I/O 操作。

3.2 NIO 的核心組件

1. 通道（Channel）： NIO 中的通道類似于傳統(tǒng) I/O 中的流，但通道支持雙向數(shù)據(jù)傳輸。常見的通道類包括：
   • FileChannel：用于文件的讀取和寫入。
   • SocketChannel：用于網(wǎng)絡(luò)的客戶端和服務(wù)端通信。
   • ServerSocketChannel：用于創(chuàng)建服務(wù)端套接字通道。
2. 緩沖區(qū)（Buffer）： NIO 中的數(shù)據(jù)讀寫都通過緩沖區(qū)進(jìn)行，避免了流的每次讀取。常見的緩沖區(qū)包括：
   • ByteBuffer：用于字節(jié)數(shù)據(jù)的處理。
   • CharBuffer：用于字符數(shù)據(jù)的處理。
3. 選擇器（Selector）： 選擇器允許單個(gè)線程同時(shí)監(jiān)控多個(gè)通道的 I/O 操作。常用于網(wǎng)絡(luò) I/O。

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3.3 NIO 文件操作示例

示例：使用 FileChannel 和 ByteBuffer 讀寫文件

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;public class FileChannelExample {public static void main(String[] args) {try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("example.txt", "rw");FileChannel channel = file.getChannel()) {// 寫數(shù)據(jù)到文件ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);buffer.put("Hello NIO!".getBytes());buffer.flip();channel.write(buffer);// 讀數(shù)據(jù)從文件buffer.clear();channel.read(buffer);buffer.flip();while (buffer.hasRemaining()) {System.out.print((char) buffer.get());}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

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3.4 非阻塞 I/O 示例

示例：使用 Selector 實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;public class NIONonBlockingExample {public static void main(String[] args) throws IOException {Selector selector = Selector.open();ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();serverChannel.configureBlocking(false);serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while (true) {selector.select();Iterator<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys().iterator();while (keys.hasNext()) {SelectionKey key = keys.next();keys.remove();if (key.isAcceptable()) {SocketChannel client = serverChannel.accept();client.configureBlocking(false);client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);} else if (key.isReadable()) {SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(256);client.read(buffer);System.out.println("Received: " + new String(buffer.array()).trim());}}}}
}

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四、傳統(tǒng) I/O 與 NIO 的對(duì)比

特性	傳統(tǒng) I/O	NIO
數(shù)據(jù)處理方式	基于流	基于緩沖區(qū)
阻塞模式	阻塞 I/O	非阻塞 I/O 和多路復(fù)用
線程模型	每連接一個(gè)線程	單線程處理多個(gè)連接
性能	相對(duì)較低，適合小型系統(tǒng)	高性能，適合高并發(fā)場(chǎng)景
使用復(fù)雜度	簡單易用	需要理解更多底層概念
適用場(chǎng)景	文件操作、小規(guī)模 I/O	高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)、文件大數(shù)據(jù)處理

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五、總結(jié)

• 通過本文，你了解了 Java I/O 的基礎(chǔ)概念、常見類庫及其用法，并深入探討了 NIO 的核心特點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用。在實(shí)際開發(fā)中：

  • 傳統(tǒng) I/O 適用于小規(guī)模、簡單的 I/O 場(chǎng)景，使用簡單直觀。
  • NIO 更適合處理大規(guī)模、高并發(fā)的 I/O 場(chǎng)景，如高性能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和大文件的異步處理。

  希望通過本文的學(xué)習(xí)，你可以更好地理解和選擇適合的 I/O 模型，以提升 Java 開發(fā)中的性能和效率！