何为 I/O?

I/O（Input/Outpu）即输入/输出。数据传输过程类似于水流，因此称为 IO 流。IO 流在 Java 中分为输入流和输出流，而根据数据的处理方式又分为字节流和字符流。

Java IO 流的40多个类都是从如下4个抽象类基类中派生出来的。

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。
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。

从计算机结构的角度来解读

计算机结构分为5大部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

输入设备（比如键盘）和输出设备（比如显示屏）都属于外部设备。网卡、硬盘这种既可以属于输入设备，也可以属于输出设备。输入设备向计算机输入数据，输出设备接收计算机输出的数据。

从计算机结构的视角来看的话， I/O 描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程。

从应用程序的角度来解读

操作系统相关的知识：为了保证操作系统的稳定性和安全性，一个进程的地址空间划分为用户空间（User space）和内核空间（Kernel space）。

平常运行的应用程序都是运行在用户空间，只有内核空间才能进行系统态级别的资源有关的操作，比如如文件管理、进程通信、内存管理等等。也就是说，我们想要进行 IO 操作，一定是要依赖内核空间的能力。并且，用户空间的程序不能直接访问内核空间。当想要执行 IO 操作时，由于没有执行这些操作的权限，只能发起系统调用请求操作系统帮忙完成。因此，用户进程想要执行 IO 操作的话，必须通过系统调用来间接访问内核空间我们在平常开发过程中接触最多的就是磁盘IO（读写文件）和网络 IO（网络请求和响应）。

从应用程序的视角来看的话，我们的应用程序对操作系统的内核发起 IO 调用（系统调用），操作系统负责的内核执行具体的 IO 操作。也就是说，我们的应用程序实际上只是发起了 IO 操作的调用而已，具体 IO 的执行是由操作系统的内核来完成的。当应用程序发起 I/O 调用后，会经历两个步骤：

内核等待 I/O 设备准备好数据
内核将数据从内核空间拷贝到用户空间。

字节流

InputStream字节输入流

InputStream用于从源头（通常是文件）读取数据（字节信息）到内存中，java.io.InputStream抽象类是所有字节输入流的父类。

InputStream 常用方法：

read()：返回输入流中下一个字节的数据。返回的值介于 0 到 255 之间。如果未读取任何字节，则代码返回 -1 ，表示文件结束。
read(byte b[ ]) : 从输入流中读取一些字节存储到数组 b 中。如果数组 b 的长度为零，则不读取。如果没有可用字节读取，返回 -1。如果有可用字节读取，则最多读取的字节数最多等于 b.length ，返回读取的字节数。这个方法等价于 read(b, 0, b.length)。
著作权归JavaGuide(javaguide.cn)所有基于MIT协议原文链接：https://javaguide.cn/java/io/io-basis.html
read(byte b[], int off, int len)：在read(byte b[ ]) 方法的基础上增加了 off 参数（偏移量）和 len 参数（要读取的最大字节数）。
skip(long n)：忽略输入流中的 n 个字节 ,返回实际忽略的字节数。
available()：返回输入流中可以读取的字节数。
close()：关闭输入流释放相关的系统资源。

从 Java 9 开始，InputStream 新增加了多个实用的方法：

readAllBytes()：读取输入流中的所有字节，返回字节数组。
readNBytes(byte[] b, int off, int len)：阻塞直到读取 len 个字节。
transferTo(OutputStream out)：将所有字节从一个输入流传递到一个输出流。

FileInputStream 是一个比较常用的字节输入流对象，可直接指定文件路径，可以直接读取单字节数据，也可以读取至字节数组中。

//JavaGuide
try (InputStream fis = new FileInputStream("input.txt")) {
    System.out.println("Number of remaining bytes:"
            + fis.available());
    int content;
    long skip = fis.skip(2);
    System.out.println("The actual number of bytes skipped:" + skip);
    System.out.print("The content read from file:");
    while ((content = fis.read()) != -1) {
        System.out.print((char) content);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

//输出
Number of remaining bytes:11
The actual number of bytes skipped:2
The content read from file:JavaGuide

不过，一般我们是不会直接单独使用 FileInputStream ，通常会配合 BufferedInputStream（字节缓冲输入流，后文会讲到）来使用。

像下面这段代码在我们的项目中就比较常见，我们通过 readAllBytes() 读取输入流所有字节并将其直接赋值给一个 String 对象。

// 新建一个 BufferedInputStream 对象
BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(new FileInputStream("input.txt"));
// 读取文件的内容并复制到 String 对象中
String result = new String(bufferedInputStream.readAllBytes());
System.out.println(result);

DataInputStream 用于读取指定类型数据，不能单独使用，必须结合其它流，比如 FileInputStream 。

FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("input.txt");
//必须将fileInputStream作为构造参数才能使用
DataInputStream dataInputStream = new DataInputStream(fileInputStream);
//可以读取任意具体的类型数据
dataInputStream.readBoolean();
dataInputStream.readInt();
dataInputStream.readUTF();

ObjectInputStream 用于从输入流中读取 Java 对象（反序列化），ObjectOutputStream 用于将对象写入到输出流(序列化)。

ObjectInputStream input = new ObjectInputStream(new FileInputStream("object.data"));
MyClass object = (MyClass) input.readObject();
input.close();

OutputStream字节输出流

OutputStream用于将数据（字节信息）写入到目的地（通常是文件），java.io.OutputStream抽象类是所有字节输出流的父类。

OutputStream 常用方法：

write(int b)：将特定字节写入输出流。
write(byte b[]):将数组b 写入到输出流，等价于 write(b,0, b.length)。
write(byte[] b, int off, int len) : 在write(byte b[ ]) 方法的基础上增加了 off 参数（偏移量）和 len 参数（要读取的最大字节数）。
flush()：刷新此输出流并强制写出所有缓冲的输出字节。
close()：关闭输出流释放相关的系统资源。

FileOutputStream 是最常用的字节输出流对象，可直接指定文件路径，可以直接输出单字节数据，也可以输出指定的字节数组。

FileOutputStream 代码示例：

try (FileOutputStream output = new FileOutputStream("output.txt")) {
    byte[] array = "JavaGuide".getBytes();
    output.write(array);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

类似于 FileInputStream，FileOutputStream 通常也会配合 BufferedOutputStream（字节缓冲输出流，后文会讲到）来使用。

FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("output.txt");
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fileOutputStream)

DataOutputStream 用于写入指定类型数据，不能单独使用，必须结合其它流，比如 FileOutputStream。

// 输出流
FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("out.txt");
DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(fileOutputStream);
// 输出任意数据类型
dataOutputStream.writeBoolean(true);
dataOutputStream.writeByte(1);

ObjectInputStream 用于从输入流中读取 Java 对象（ObjectInputStream,反序列化），ObjectOutputStream将对象写入到输出流(ObjectOutputStream，序列化)。

ObjectOutputStream output = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("file.txt")
Person person = new Person("Guide哥", "JavaGuide作者");
output.writeObject(person);

字符流

不管是文件读写还是网络发送接收，信息的最小存储单元都是字节。

I/O 流操作要分为字节流操作和字符流操作。字符流是由 Java 虚拟机将字节转换得到的，这个过程还算是比较耗时。如果我们不知道编码类型就很容易出现乱码问题。

因此，I/O 流就干脆提供了一个直接操作字符的接口，方便我们平时对字符进行流操作。如果音频文件、图片等媒体文件用字节流比较好，如果涉及到字符的话使用字符流比较好。

字符流默认采用的是 Unicode 编码，我们可以通过构造方法自定义编码。顺便分享一下之前遇到的笔试题：常用字符编码所占字节数？utf8 :英文占 1 字节，中文占 3 字节，unicode：任何字符都占 2 个字节，gbk：英文占 1 字节，中文占 2 字节。

1 字节，中文占 2 字节。

Reader（字符输入流）

Reader用于从源头（通常是文件）读取数据（字符信息）到内存中，java.io.Reader抽象类是所有字符输入流的父类。

Reader 用于读取文本， InputStream 用于读取原始字节。

Reader 常用方法：

read() : 从输入流读取一个字符。
read(char[] cbuf) : 从输入流中读取一些字符，并将它们存储到字符数组 cbuf中，等价于 read(cbuf, 0, cbuf.length) 。
read(char[] cbuf, int off, int len)：在read(char[] cbuf) 方法的基础上增加了 off 参数（偏移量）和 len 参数（要读取的最大字符数）。
skip(long n)：忽略输入流中的 n 个字符 ,返回实际忽略的字符数。
close() : 关闭输入流并释放相关的系统资源。

InputStreamReader 是字节流转换为字符流的桥梁，其子类 FileReader 是基于该基础上的封装，可以直接操作字符文件。

// 字节流转换为字符流的桥梁
public class InputStreamReader extends Reader {
}
// 用于读取字符文件
public class FileReader extends InputStreamReader {
}

Writer（字符输出流）

Writer用于将数据（字符信息）写入到目的地（通常是文件），java.io.Writer抽象类是所有字符输出流的父类。

Writer 常用方法：

write(int c) : 写入单个字符。
write(char[] cbuf)：写入字符数组 cbuf，等价于write(cbuf, 0, cbuf.length)。
write(char[] cbuf, int off, int len)：在write(char[] cbuf) 方法的基础上增加了 off 参数（偏移量）和 len 参数（要读取的最大字符数）。
write(String str)：写入字符串，等价于 write(str, 0, str.length()) 。
write(String str, int off, int len)：在write(String str) 方法的基础上增加了 off 参数（偏移量）和 len 参数（要读取的最大字符数）。
append(CharSequence csq)：将指定的字符序列附加到指定的 Writer 对象并返回该 Writer 对象。
append(char c)：将指定的字符附加到指定的 Writer 对象并返回该 Writer 对象。
flush()：刷新此输出流并强制写出所有缓冲的输出字符。
close():关闭输出流释放相关的系统资源。

OutputStreamWriter 是字符流转换为字节流的桥梁，其子类 FileWriter 是基于该基础上的封装，可以直接将字符写入到文件。

// 字符流转换为字节流的桥梁
public class OutputStreamWriter extends Writer {
}
// 用于写入字符到文件
public class FileWriter extends OutputStreamWriter {
}

字节缓冲流

IO 操作是很消耗性能的，缓冲流将数据加载至缓冲区，一次性读取/写入多个字节，从而避免频繁的 IO 操作，提高流的传输效率。

字节缓冲流这里采用了装饰器模式来增强 InputStream 和OutputStream子类对象的功能。

我们可以通过 BufferedInputStream（字节缓冲输入流）来增强 FileInputStream 的功能。

// 新建一个 BufferedInputStream 对象
BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(new FileInputStream("input.txt"));

字节流和字节缓冲流的性能差别主要体现在我们使用两者的时候都是调用 write(int b) 和 read() 这两个一次只读取一个字节的方法的时候。由于字节缓冲流内部有缓冲区（字节数组），因此，字节缓冲流会先将读取到的字节存放在缓存区，大幅减少 IO 次数，提高读取效率。

我使用 write(int b) 和 read() 方法，分别通过字节流和字节缓冲流复制一个 524.9 mb 的 PDF 文件耗时对比如下：

使用缓冲流复制PDF文件总耗时:15428 毫秒
使用普通字节流复制PDF文件总耗时:2555062 毫秒

测试代码如下:

@Test
void copy_pdf_to_another_pdf_buffer_stream() {
    // 记录开始时间
    long start = System.currentTimeMillis();
    try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("深入理解计算机操作系统.pdf"));
         BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("深入理解计算机操作系统-副本.pdf"))) {
        int content;
        while ((content = bis.read()) != -1) {
            bos.write(content);
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    // 记录结束时间
    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("使用缓冲流复制PDF文件总耗时:" + (end - start) + " 毫秒");
}

@Test
void copy_pdf_to_another_pdf_stream() {
    // 记录开始时间
    long start = System.currentTimeMillis();
    try (FileInputStream fis = new FileInputStream("深入理解计算机操作系统.pdf");
         FileOutputStream fos = new FileOutputStream("深入理解计算机操作系统-副本.pdf")) {
        int content;
        while ((content = fis.read()) != -1) {
            fos.write(content);
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    // 记录结束时间
    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("使用普通流复制PDF文件总耗时:" + (end - start) + " 毫秒");
}

如果是调用 read(byte b[]) 和 write(byte b[], int off, int len) 这两个写入一个字节数组的方法的话，只要字节数组的大小合适，两者的性能差距其实不大，基本可以忽略。

这次我们使用 read(byte b[]) 和 write(byte b[], int off, int len) 方法，分别通过字节流和字节缓冲流复制一个 524.9 mb 的 PDF 文件耗时对比如下：

使用缓冲流复制PDF文件总耗时:695 毫秒
使用普通字节流复制PDF文件总耗时:989 毫秒

测试代码如下：

@Test
void copy_pdf_to_another_pdf_with_byte_array_buffer_stream() {
    // 记录开始时间
    long start = System.currentTimeMillis();
    try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("深入理解计算机操作系统.pdf"));
         BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("深入理解计算机操作系统-副本.pdf"))) {
        int len;
        byte[] bytes = new byte[4 * 1024];
        while ((len = bis.read(bytes)) != -1) {
            bos.write(bytes, 0, len);
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    // 记录结束时间
    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("使用缓冲流复制PDF文件总耗时:" + (end - start) + " 毫秒");
}

@Test
void copy_pdf_to_another_pdf_with_byte_array_stream() {
    // 记录开始时间
    long start = System.currentTimeMillis();
    try (FileInputStream fis = new FileInputStream("深入理解计算机操作系统.pdf");
         FileOutputStream fos = new FileOutputStream("深入理解计算机操作系统-副本.pdf")) {
        int len;
        byte[] bytes = new byte[4 * 1024];
        while ((len = fis.read(bytes)) != -1) {
            fos.write(bytes, 0, len);
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    // 记录结束时间
    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("使用普通流复制PDF文件总耗时:" + (end - start) + " 毫秒");
}

BufferedInputStream（字节缓冲输入流）

BufferedInputStream 从源头（通常是文件）读取数据（字节信息）到内存的过程中不会一个字节一个字节的读取，而是会先将读取到的字节存放在缓存区，并从内部缓冲区中单独读取字节。这样大幅减少了 IO 次数，提高了读取效率。

BufferedInputStream 内部维护了一个缓冲区，这个缓冲区实际就是一个字节数组，通过阅读 BufferedInputStream 源码即可得到这个结论。

public
class BufferedInputStream extends FilterInputStream {
    // 内部缓冲区数组
    protected volatile byte buf[];
    // 缓冲区的默认大小
    private static int DEFAULT_BUFFER_SIZE = 8192;
    // 使用默认的缓冲区大小
    public BufferedInputStream(InputStream in) {
        this(in, DEFAULT_BUFFER_SIZE);
    }
    // 自定义缓冲区大小
    public BufferedInputStream(InputStream in, int size) {
        super(in);
        if (size <= 0) {
            throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");
        }
        buf = new byte[size];
    }
}

缓冲区的大小默认为 8192 字节，当然了，你也可以通过 BufferedInputStream(InputStream in, int size) 这个构造方法来指定缓冲区的大小。

BufferedOutputStream（字节缓冲输出流）

BufferedOutputStream 将数据（字节信息）写入到目的地（通常是文件）的过程中不会一个字节一个字节的写入，而是会先将要写入的字节存放在缓存区，并从内部缓冲区中单独写入字节。这样大幅减少了 IO 次数，提高了读取效率。

try (BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("output.txt"))) {
    byte[] array = "JavaGuide".getBytes();
    bos.write(array);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

类似于 BufferedInputStream ，BufferedOutputStream 内部也维护了一个缓冲区，并且，这个缓存区的大小也是 8192 字节。

字符缓冲流

BufferedReader （字符缓冲输入流）和 BufferedWriter（字符缓冲输出流）类似于 BufferedInputStream（字节缓冲输入流）和BufferedOutputStream（字节缓冲输入流），内部都维护了一个字节数组作为缓冲区。不过，前者主要是用来操作字符信息。

打印流

System.out.print("Hello！");
System.out.println("Hello！");

System.out 实际是用于获取一个 PrintStream 对象，print方法实际调用的是 PrintStream 对象的 write 方法。

PrintStream 属于字节打印流，与之对应的是 PrintWriter （字符打印流）。PrintStream 是 OutputStream 的子类，PrintWriter 是 Writer 的子类。

public class PrintStream extends FilterOutputStream
    implements Appendable, Closeable {
}
public class PrintWriter extends Writer {
}

随机访问流

这里要介绍的随机访问流指的是支持随意跳转到文件的任意位置进行读写的 RandomAccessFile 。

RandomAccessFile 的构造方法如下，我们可以指定 mode（读写模式）。

// openAndDelete 参数默认为 false 表示打开文件并且这个文件不会被删除
public RandomAccessFile(File file, String mode)
    throws FileNotFoundException {
    this(file, mode, false);
}
// 私有方法
private RandomAccessFile(File file, String mode, boolean openAndDelete)  throws FileNotFoundException{
  // 省略大部分代码
}

读写模式主要有下面四种：

r : 只读模式。
rw: 读写模式。
rws: 相对于 rw，rws 同步更新对“文件的内容”或“元数据”的修改到外部存储设备。
rwd : 相对于 rw，rwd 同步更新对“文件的内容”的修改到外部存储设备。

文件内容指的是文件中实际保存的数据，元数据则是用来描述文件属性比如文件的大小信息、创建和修改时间。

RandomAccessFile 中有一个文件指针用来表示下一个将要被写入或者读取的字节所处的位置。我们可以通过 RandomAccessFile 的 seek(long pos) 方法来设置文件指针的偏移量（距文件开头 pos 个字节处）。如果想要获取文件指针当前的位置的话，可以使用 getFilePointer() 方法。

RandomAccessFile 代码示例：

RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(new File("input.txt"), "rw");
System.out.println("读取之前的偏移量：" + randomAccessFile.getFilePointer() + ",当前读取到的字符" + (char) randomAccessFile.read() + "，读取之后的偏移量：" + randomAccessFile.getFilePointer());
// 指针当前偏移量为 6
randomAccessFile.seek(6);
System.out.println("读取之前的偏移量：" + randomAccessFile.getFilePointer() + ",当前读取到的字符" + (char) randomAccessFile.read() + "，读取之后的偏移量：" + randomAccessFile.getFilePointer());
// 从偏移量 7 的位置开始往后写入字节数据
randomAccessFile.write(new byte[]{'H', 'I', 'J', 'K'});
// 指针当前偏移量为 0，回到起始位置
randomAccessFile.seek(0);
System.out.println("读取之前的偏移量：" + randomAccessFile.getFilePointer() + ",当前读取到的字符" + (char) randomAccessFile.read() + "，读取之后的偏移量：" + randomAccessFile.getFilePointer());


//ABCDEFG
//读取之前的偏移量：0,当前读取到的字符A，读取之后的偏移量：1
//读取之前的偏移量：6,当前读取到的字符G，读取之后的偏移量：7
//读取之前的偏移量：0,当前读取到的字符A，读取之后的偏移量：1
//input.txt 文件内容变为 ABCDEFGHIJK

RandomAccessFile 比较常见的一个应用就是实现大文件的 断点续传 。何谓断点续传？简单来说就是上传文件中途暂停或失败（比如遇到网络问题）之后，不需要重新上传，只需要上传那些未成功上传的文件分片即可。分片（先将文件切分成多个文件分片）上传是断点续传的基础。

RandomAccessFile 的实现依赖于 FileDescriptor (文件描述符) 和 FileChannel （内存映射文件）。

常见的 IO 模型

UNIX 系统下， IO 模型一共有5种：同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路复用、信号驱动 I/O 和异步 I/O。

Java 中3种常见 IO 模型：BIO (Blocking I/O)、NIO (Non-blocking/New I/O)、AIO (Asynchronous I/O)

BIO

BIO 属于同步阻塞 IO 模型。

同步阻塞 IO 模型中，应用程序发起 read 调用后，会一直阻塞，直到在内核把数据拷贝到用户空间在客户端连接数量不高的情况下，是没问题的。但是，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的 BIO 模型是无能为力的。

NIO

Java 中的 NIO 于 Java 1.4中引入，对应 java.nio 包，提供了 Channel , Selector，Buffer 等抽象。NIO 中的 N 可以理解为 Non-blocking，不单纯是 New。它支持面向缓冲的，基于通道的 I/O 操作方法。对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用 NIO。NIO 可以看作是 I/O 多路复用模型。

IO 多路复用模型中，线程首先发起 select 调用，询问内核数据是否准备就绪，等内核把数据准备好了，用户线程再发起 read 调用。read 调用的过程（数据从内核空间->用户空间）还是阻塞的。目前支持 IO 多路复用的系统调用，有 select，epoll 等等。select 系统调用，是目前几乎在所有的操作系统上都有支持。

select 调用：内核提供的系统调用，它支持一次查询多个系统调用的可用状态。几乎所有的操作系统都支持。
epoll 调用：linux 2.6内核，属于 select 调用的增强版本，优化了 IO 的执行效率。

Java 中的 NIO ，有一个非常重要的选择器 (Selector) 的概念，也可以被称为多路复用器。通过它，只需要一个线程便可以管理多个客户端连接。当客户端数据到了之后，才会为其服务。

NIO 核心组件

NIO 主要包括以下三个核心组件：

Buffer（缓冲区）：NIO 读写数据都是通过缓冲区进行操作的。读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。
Channel（通道）：Channel 是一个双向的、可读可写的数据传输通道，NIO 通过 Channel 来实现数据的输入输出。通道是一个抽象的概念，它可以代表文件、套接字或者其他数据源之间的连接。
Selector（选择器）：允许一个线程处理多个 Channel，基于事件驱动的 I/O 多路复用模型。所有的 Channel 都可以注册到 Selector 上，由 Selector 来分配线程来处理事件。

Buffer（缓冲区）

在传统的 BIO 中，数据的读写是面向流的，分为字节流和字符流。

在 Java 1.4 的 NIO 库中，所有数据都是用缓冲区处理的，这是新库和之前的 BIO 的一个重要区别，有点类似于 BIO 中的缓冲流。NIO 在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的。在写入数据时，写入到缓冲区中。使用 NIO 在读写数据时，都是通过缓冲区进行操作。

Buffer 的子类如下图所示。其中，最常用的是 ByteBuffer，它可以用来存储和操作字节数据。

你可以将 Buffer 理解为一个数组，IntBuffer、FloatBuffer、CharBuffer 等分别对应 int[]、float[]、char[] 等。

为了更清晰地认识缓冲区，我们来简单看看Buffer 类中定义的四个成员变量：

public abstract class Buffer {
    // Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
    private int mark = -1;
    private int position = 0;
    private int limit;
    private int capacity;
}

这四个成员变量的具体含义如下：

容量（capacity）：Buffer可以存储的最大数据量，Buffer创建时设置且不可改变；
界限（limit）：Buffer 中可以读/写数据的边界。写模式下，limit 代表最多能写入的数据，一般等于 capacity（可以通过limit(int newLimit)方法设置）；读模式下，limit 等于 Buffer 中实际写入的数据大小。
位置（position）：下一个可以被读写的数据的位置（索引）。从写操作模式到读操作模式切换的时候（flip），position 都会归零，这样就可以从头开始读写了。
标记（mark）：Buffer允许将位置直接定位到该标记处，这是一个可选属性；

并且，上述变量满足如下的关系：0 <= mark <= position <= limit <= capacity 。

另外，Buffer 有读模式和写模式这两种模式，分别用于从 Buffer 中读取数据或者向 Buffer 中写入数据。Buffer 被创建之后默认是写模式，调用 flip() 可以切换到读模式。如果要再次切换回写模式，可以调用 clear() 或者 compact() 方法。

Buffer 对象不能通过 new 调用构造方法创建对象，只能通过静态方法实例化 Buffer。

以 ByteBuffer为例进行介绍：

// 分配堆内存
public static ByteBuffer allocate(int capacity);
// 分配直接内存
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity);

Buffer 最核心的两个方法：

get : 读取缓冲区的数据
put ：向缓冲区写入数据

除上述两个方法之外，其他的重要方法：

flip ：将缓冲区从写模式切换到读模式，它会将 limit 的值设置为当前 position 的值，将 position 的值设置为 0。
clear: 清空缓冲区，将缓冲区从读模式切换到写模式，并将 position 的值设置为 0，将 limit 的值设置为 capacity 的值。

Buffer 中数据变化的过程：

import java.nio.*;

public class CharBufferDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 分配一个容量为8的CharBuffer
        CharBuffer buffer = CharBuffer.allocate(8);
        System.out.println("初始状态：");
        printState(buffer);

        // 向buffer写入3个字符
        buffer.put('a').put('b').put('c');
        System.out.println("写入3个字符后的状态：");
        printState(buffer);

        // 调用flip()方法，准备读取buffer中的数据，将 position 置 0,limit 的置 3
        buffer.flip();
        System.out.println("调用flip()方法后的状态：");
        printState(buffer);

        // 读取字符
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print(buffer.get());
        }

        // 调用clear()方法，清空缓冲区，将 position 的值置为 0，将 limit 的值置为 capacity 的值
        buffer.clear();
        System.out.println("调用clear()方法后的状态：");
        printState(buffer);

    }

    // 打印buffer的capacity、limit、position、mark的位置
    private static void printState(CharBuffer buffer) {
        System.out.print("capacity: " + buffer.capacity());
        System.out.print(", limit: " + buffer.limit());
        System.out.print(", position: " + buffer.position());
        System.out.print(", mark 开始读取的字符: " + buffer.mark());
        System.out.println("\n");
    }
}

输出：

初始状态：
capacity: 8, limit: 8, position: 0

写入3个字符后的状态：
capacity: 8, limit: 8, position: 3

准备读取buffer中的数据！

调用flip()方法后的状态：
capacity: 8, limit: 3, position: 0

读取到的数据：abc

调用clear()方法后的状态：
capacity: 8, limit: 8, position: 0

Channel（通道）

Channel 是一个通道，它建立了与数据源（如文件、网络套接字等）之间的连接。我们可以利用它来读取和写入数据，就像打开了一条自来水管，让数据在 Channel 中自由流动。

BIO 中的流是单向的，分为各种 InputStream（输入流）和 OutputStream（输出流），数据只是在一个方向上传输。通道与流的不同之处在于通道是双向的，它可以用于读、写或者同时用于读写。

Channel 与前面介绍的 Buffer 打交道，读操作的时候将 Channel 中的数据填充到 Buffer 中，而写操作时将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。

另外，因为 Channel 是全双工的，所以它可以比流更好地映射底层操作系统的 API。特别是在 UNIX 网络编程模型中，底层操作系统的通道都是全双工的，同时支持读写操作。

Channel 的子类如下图所示。

其中，最常用的是以下几种类型的通道：

FileChannel：文件访问通道；
SocketChannel、ServerSocketChannel：TCP 通信通道；
DatagramChannel：UDP 通信通道；

Channel 最核心的两个方法：

read ：读取数据并写入到 Buffer 中。
write ：将 Buffer 中的数据写入到 Channel 中。

RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("/Users/guide/Documents/test_read.in", "r"))
FileChannel channel = reader.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer);

Selector（选择器）

Selector（选择器）是 NIO 中的一个关键组件，它允许一个线程处理多个 Channel。Selector 是基于事件驱动的 I/O 多路复用模型，主要运作原理是：通过 Selector 注册通道的事件，Selector 会不断地轮询注册在其上的 Channel。当事件发生时，比如：某个 Channel 上面有新的 TCP 连接接入、读和写事件，这个 Channel 就处于就绪状态，会被 Selector 轮询出来。Selector 会将相关的 Channel 加入到就绪集合中。通过 SelectionKey 可以获取就绪 Channel 的集合，然后对这些就绪的 Channel 进行相应的 I/O 操作。

一个多路复用器 Selector 可以同时轮询多个 Channel，由于 JDK 使用了 epoll() 代替传统的 select 实现，所以它并没有最大连接句柄 1024/2048 的限制。这也就意味着只需要一个线程负责 Selector 的轮询，就可以接入成千上万的客户端。

Selector 可以监听以下四种事件类型：

SelectionKey.OP_ACCEPT：表示通道接受连接的事件，这通常用于 ServerSocketChannel。
SelectionKey.OP_CONNECT：表示通道完成连接的事件，这通常用于 SocketChannel。
SelectionKey.OP_READ：表示通道准备好进行读取的事件，即有数据可读。
SelectionKey.OP_WRITE：表示通道准备好进行写入的事件，即可以写入数据。

Selector是抽象类，可以通过调用此类的 open() 静态方法来创建 Selector 实例。Selector 可以同时监控多个 SelectableChannel 的 IO 状况，是非阻塞 IO 的核心。

一个 Selector 实例有三个 SelectionKey 集合：

所有的 SelectionKey 集合：代表了注册在该 Selector 上的 Channel，这个集合可以通过 keys() 方法返回。
被选择的 SelectionKey 集合：代表了所有可通过 select() 方法获取的、需要进行 IO 处理的 Channel，这个集合可以通过 selectedKeys() 返回。
被取消的 SelectionKey 集合：代表了所有被取消注册关系的 Channel，在下一次执行 select() 方法时，这些 Channel 对应的 SelectionKey 会被彻底删除，程序通常无须直接访问该集合，也没有暴露访问的方法。

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();
    if (key != null) {
        if (key.isAcceptable()) {
            // ServerSocketChannel 接收了一个新连接
        } else if (key.isConnectable()) {
            // 表示一个新连接建立
        } else if (key.isReadable()) {
            // Channel 有准备好的数据，可以读取
        } else if (key.isWritable()) {
            // Channel 有空闲的 Buffer，可以写入数据
        }
    }
    keyIterator.remove();
}

Selector 还提供了一系列和 select() 相关的方法：

int select()：监控所有注册的 Channel，当它们中间有需要处理的 IO 操作时，该方法返回，并将对应的 SelectionKey 加入被选择的 SelectionKey 集合中，该方法返回这些 Channel 的数量。
int select(long timeout)：可以设置超时时长的 select() 操作。
int selectNow()：执行一个立即返回的 select() 操作，相对于无参数的 select() 方法而言，该方法不会阻塞线程。
Selector wakeup()：使一个还未返回的 select() 方法立刻返回。

使用 Selector 实现网络读写的简单示例：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NioSelectorExample {

  public static void main(String[] args) {
    try {
      ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
      serverSocketChannel.configureBlocking(false);
      serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));

      Selector selector = Selector.open();
      // 将 ServerSocketChannel 注册到 Selector 并监听 OP_ACCEPT 事件
      serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

      while (true) {
        int readyChannels = selector.select();

        if (readyChannels == 0) {
          continue;
        }

        Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
        Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();

        while (keyIterator.hasNext()) {
          SelectionKey key = keyIterator.next();

          if (key.isAcceptable()) {
            // 处理连接事件
            ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel client = server.accept();
            client.configureBlocking(false);

            // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_READ 事件
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
          } else if (key.isReadable()) {
            // 处理读事件
            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int bytesRead = client.read(buffer);

            if (bytesRead > 0) {
              buffer.flip();
              System.out.println("收到数据：" +new String(buffer.array(), 0, bytesRead));
              // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_WRITE 事件
              client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
            } else if (bytesRead < 0) {
              // 客户端断开连接
              client.close();
            }
          } else if (key.isWritable()) {
            // 处理写事件
            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello, Client!".getBytes());
            client.write(buffer);

            // 将客户端通道注册到 Selector 并监听 OP_READ 事件
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
          }

          keyIterator.remove();
        }
      }
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

在示例中，我们创建了一个简单的服务器，监听 8080 端口，使用 Selector 处理连接、读取和写入事件。当接收到客户端的数据时，服务器将读取数据并将其打印到控制台，然后向客户端回复 "Hello, Client!"。

AIO

AIO 也就是 NIO 2。Java 7中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步 IO 模型。

异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

Java-I/O基础