深入了解Java I/O的工作机制

Java I/O操作类

在i/o类中有将近80个类，大致分为四组
1.基于字节操作的I/O接口：InputStream和OutStream
2.基于字符操作的I/O接口：Writer和Reader
3.基于磁盘操作的I/O接口：File
4.基于网络操作的I/O接口：Socket
其实不管是磁盘操作还是网络传输，最小的存储单元还是字节，而不是字符。所以I/O操作的还是字节。那为什么还设有I/O的字符接口？因为我们在程序日常操作中基本都是字符，如果直接用字节操作的I/O接口的话，还需要将字符转换成字节，从字符转成字节要经过编码转换，是一个比较复杂耗时的过程，还容易出现乱码。所以为了方便直接提供一个操作字符的I/O接口。
所以会有字节和字符的转换接口
字节和字符的转换接口
InputStreamReader和OutputStreamWriter
InputStreamReader：将字节的输入流变成字符的输入流
OutputStreamWriter：将字符的的输出流变成字节的输出流

磁盘的I/O工作机制

我们知道硬盘是由操作系统来管理的，所以我们读取和写入文件I/O操作都需要调用系统提供的接口。而系统为了运行安全，将磁盘分为内核空间地址和用户空间地址。所以再运行的时候这两部分内存是隔离的，保证了操作系统的运行安全，但是总会有需要数据从内核空间传到用户空间的，这就出现了数据在内核空间向用户空间复制的问题。
如果我们用到了再去复制，会非常影响性能。操作系为了加速I/O访问，在内核空间使用了缓存机制，也就是说将从磁盘读取的文件按照一定的组织顺序进行缓存，如果用户程序访问事的是同一段磁盘地址的数据空间，那么操作系统姜葱内核缓存中直接取出返回给用户程序。
标准访问文件方式
标准的访问文件，当程序调用read()接口时，操作系统检查在内核的高速缓存中有没有需要的数据，如果已经有缓存了，那么直接从缓存中返回，如果没有，从磁盘读取，缓存在电脑的缓存了。
写入就是程序调用write()接口将数据从用户空间复制到内核的缓存中，这个时候我们的任务已经完成，从内核缓存写到磁盘中，是操作系统完成的。
直接I/O的方式
也就是我们不经过内核的缓存，直接从磁盘中读取和写入。我们知道程序调用read()接口时，回去程序本身的缓存中找有没有数据，如果没有直接去磁盘中读取。这有这有自己的好处，程序知道哪些是热点数据，也就是常用的数据，能够提高性能，但是如果这个数据不再程序缓存中的话，去磁盘读写会非常的浪费时间，因为I/O操作占用的时间比较长。
同步I/O方式
也就是数据的读取和写入都是同步操作的，只有等到数据成功被写到磁盘时才返回给程序成功的标志。这与标准的访问文件方式不同，标准的文件访问方式把数据复制高速缓存中就可以了，不需要等待从缓存写入磁泡。
异步I/O方式
异步，也就是说调用read()接口访问数据的时候，当线程发送请求后，线程不是等待数据访问成功才去干别的事，线程发送请求后，直接去处理其他事情了。这种方式的好处是，提高程序的效率，但是不影响程序的正常运行。
内存映射方式
内存映射，就是将操作系统中的内存的某一区域和磁盘中的某个文件关联起来，当要访问内存中的某一个数据时，转换成访问文件的某一段数据。

Java序列化

Java序列化就是把对象转换成一串二进制表达的字节数组，通过保存或者转移这些字节数据来达到持久化的目的。反序列化就是将这个字节数组重新构造成对象。序列化的数据并不是想class文件保存了真个类的信息，所以反序列化还是需要原始类作为模板。序列化的接口为Serializable接口。
序列化注意情况
1.当父类实现了Serializable接口时，所有的子类都可以被序列化
2.子类实现了Serializable接口时，父类没有实现，父类的属性不能被序列化，但是子类的属性可以被序列化
3.如果序列化的属性是一个对象，则这个对象也必须是实现Serializable接口，否则报错
4.在反序列化是，如果对象有属性被修改或者删除，则修改的部分会丢失，不出错
具体使用输入和输出流
输入流

public  class MyTest {public static void main(String[] args) throws IOException{File file= new File("e:\\a.txt");if(file.exists()){InputStream in =new FileInputStream(file);int a=0;while((a=in.read())!=-1){System.out.print((char)a);}in.close();}else{System.out.println("文件不存在");}}
}

如上面代码所示，我们能够用inputStream读取文件里的内容

但是我们发现从文件读取的内容英文是没问题，但是中文部分是乱码。由于我们用的是字节流，读取的。没有指定编码，中文字符会乱码。

public  class MyTest {public static void main(String[] args) throws IOException{File file= new File("e:\\a.txt");if(file.exists()){InputStream in =new FileInputStream(file);InputStreamReader inputStreamReader=new InputStreamReader(in,"UTF-8");int a=0;while((a=inputStreamReader.read())!=-1){System.out.print((char)a);}in.close();}else{System.out.println("文件不存在");}}
}

如上面代码，我们将把输入流作为参数传给InputStreamReader，并指定了编码，从字节转成了指定字符。解决了中文乱码问题。
输出流

public  class MyTest {public static void main(String[] args) throws IOException{File file = new File("e:\\b.txt");OutputStream out=new FileOutputStream(file);String str="zxcv";for(int i=0;i<str.length();i++){char a=str.charAt(i);out.write(a);}out.close();    }}

上面的代码就能够往文件里面写内容了，但是每次都是覆盖的，在FileOutputStream的构造方法中有一个在尾部追加的。来看看源码

public FileOutputStream(File file, boolean append)throws FileNotFoundException{String name = (file != null ? file.getPath() : null);SecurityManager security = System.getSecurityManager();if (security != null) {security.checkWrite(name);}if (name == null) {throw new NullPointerException();}if (file.isInvalid()) {throw new FileNotFoundException("Invalid file path");}this.fd = new FileDescriptor();fd.attach(this);this.append = append;this.path = name;open(name, append);}

所以再实例化的时候把参数改为true就好了

OutputStream out=new FileOutputStream(file,true);

但是这个还是没有解决中文乱码的问题

public  class MyTest {public static void main(String[] args) throws IOException{File file = new File("e:\\b.txt");OutputStream out=new FileOutputStream(file,true);OutputStreamWriter outputStreamWriter=new OutputStreamWriter(out,"UTF-8");String str="zxcv 陈";outputStreamWriter.write(str);outputStreamWriter.flush();out.close(); }
}

使用OutputStreamWriter就可以解决，从字符到字节流中的问题了。
这里介绍了从硬盘中读入和写入的过程，接下来看看，线程与线程之间是如何通信的。
I/O管道
两个线程是独立的，想要进行通信可以一方采用PipedInputStream另一方采用PipedOutputSream，这样就进行通信了。
带缓冲的字符流
带缓冲区的字符输入，可以提高熟读IO处理的速度，可以一次读取一大块数据，而不需要每次从硬盘中一次读取一个字节。
BufferedReader和BufferedInputStream
BufferedWriter
也可以指定缓冲区的大小，

public BufferedInputStream(InputStream in, int size) {super(in);if (size <= 0) {throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");}buf = new byte[size];}

不指定大小的话

public BufferedInputStream(InputStream in) {this(in, DEFAULT_BUFFER_SIZE);
}

使用的是默认的大小，8kb

private static int DEFAULT_BUFFER_SIZE = 8192;

本文属于自己参考文章和结合自己的总结来学习和巩固Java基础

参考文章：https://github.com/h2pl/Java-Tutorial/blob/master/docs/java/basic/1%E3%80%81%E9%9D%A2%E5%90%91%E5%AF%B9%E8%B1%A1%E5%9F%BA%E7%A1%80.md