史上最全IO讲解，以源码角度为你剖析，颠覆你的认知！

Java IO 是一个庞大的知识体系，很多人学着学着就会学懵了，包括我在内也是如此，所以本文将会从 Java 的 BIO 开始，一步一步深入学习，引出 JDK1.4 之后出现的 NIO 技术，对比 NIO 与 BIO 的区别，然后对 NIO 中重要的三个组成部分进行讲解（缓冲区、通道、选择器），最后实现一个简易的客户端与服务器通信功能。

传统的 BIO

Java IO流是一个庞大的生态环境，其内部提供了很多不同的输入流和输出流，细分下去还有字节流和字符流，甚至还有缓冲流提高 IO 性能，转换流将字节流转换为字符流······看到这些就已经对 IO 产生恐惧了，在日常开发中少不了对文件的 IO 操作，虽然 apache 已经提供了 Commons IO 这种封装好的组件，但面对特殊场景时，我们仍需要自己去封装一个高性能的文件 IO 工具类，本文将会解析 Java IO 中涉及到的各个类，以及讲解如何正确、高效地使用它们。

BIO NIO 和 AIO 的区别

我们会以一个经典的烧开水的例子通俗地讲解它们之间的区别

类型	烧开水
BIO	一直监测着某个水壶，该水壶烧开水后再监测下一个水壶
NIO	每隔一段时间就看看所有水壶的状态，哪个水壶烧开水就去处理哪个水壶
AIO	不用监测水壶，每个水壶烧开水后都会主动通知线程说：“我的水烧开了，来处理我吧”

BIO (同步阻塞 I/O)

这里假设一个烧开水的场景，有一排水壶在烧开水，BIO的工作模式就是， 小菠萝一直看着着这个水壶，直到这个水壶烧开，才去处理下一个水壶。线程在等待水壶烧开的时间段什么都没有做。

NIO（同步非阻塞 I/O）

还拿烧开水来说，NIO的做法是小菠萝一边玩着手机，每隔一段时间就看一看每个水壶的状态，看看是否有水壶的状态发生了改变，如果某个水壶烧开了，可以先处理那个水壶，然后继续玩手机，继续隔一段时间又看看每个水壶的状态。

AIO （异步非阻塞 I/O）

小菠萝觉得每隔一段时间就去看一看水壶太费劲了，于是购买了一批烧开水时可以哔哔响的水壶，于是开始烧水后，小菠萝就直接去客厅玩手机了，水烧开时，就发出“哔哔”的响声，通知小菠萝来关掉水壶。

什么是流

知识科普：我们知道任何一个文件都是以二进制形式存在于设备中，计算机就只有 0 和 1，你能看见的东西全部都是由这两个数字组成，你看这篇文章时，这篇文章也是由01组成，只不过这些二进制串经过各种转换演变成一个个文字、一张张图片跃然屏幕上。

而流就是将这些二进制串在各种设备之间进行传输，如果你觉得有些抽象，我举个例子就会好理解一些：

下图是一张图片，它由01串组成，我们可以通过程序把一张图片拷贝到一个文件夹中，

把图片转化成二进制数据集，把数据一点一点地传递到文件夹中 , 类似于水的流动 , 这样整体的数据就是一个数据流

 

IO 流读写数据的特点：

• 顺序读写。读写数据时，大部分情况下都是按照顺序读写，读取时从文件开头的第一个字节到最后一个字节，写出时也是也如此（RandomAccessFile 可以实现随机读写）
• 字节数组。读写数据时本质上都是对字节数组做读取和写出操作，即使是字符流，也是在字节流基础上转化为一个个字符，所以字节数组是 IO 流读写数据的本质。

流的分类

根据数据流向不同分类：输入流 和 输出流

• 输入流：从磁盘或者其它设备中将数据输入到进程中
• 输出流：将进程中的数据输出到磁盘或其它设备上保存

 

图示中的硬盘只是其中一种设备，还有非常多的设备都可以应用在IO流中，例如：打印机、硬盘、显示器、手机······

根据处理数据的基本单位不同分类：字节流 和 字符流

• 字节流：以字节（8 bit）为单位做数据的传输
• 字符流：以字符为单位（1字符 = 2字节）做数据的传输

字符流的本质也是通过字节流读取，Java 中的字符采用 Unicode 标准，在读取和输出的过程中，通过以字符为单位，查找对应的码表将字节转换为对应的字符。

面对字节流和字符流，很多读者都有疑惑：什么时候需要用字节流，什么时候又要用字符流？

我这里做一个简单的概括，你可以按照这个标准去使用：

字符流只针对字符数据进行传输，所以如果是文本数据，优先采用字符流传输；除此之外，其它类型的数据（图片、音频等），最好还是以字节流传输。

根据这两种不同的分类，我们就可以做出下面这个表格，里面包含了 IO 中最核心的 4 个顶层抽象类：

数据流向 / 数据类型	字节流	字符流
输入流	InputStream	Reader
输出流	OutputStream	Writer

现在看 IO 是不是有一些思路了，不会觉得很混乱了，我们来看这四个类下的所有成员。

 

看到这么多的类是不是又开始觉得混乱了，不要慌，字节流和字符流下的输入流和输出流大部分都是一一对应的，有了上面的表格支撑，我们不需要再担心看见某个类会懵逼的情况了。

看到 Stream 就知道是字节流，看到 Reader / Writer 就知道是字符流。

这里还要额外补充一点：Java IO 提供了字节流转换为字符流的转换类，称为转换流。

转换流 / 数据类型	字节流与字符流之间的转换
（输入）字节流 => 字符流	InputStreamReader
（输出）字符流 => 字节流	OutputStreamWriter

注意字节流与字符流之间的转换是有严格定义的：

• 输入流：可以将字节流 => 字符流
• 输出流：可以将字符流 => 字节流

为什么在输入流不能字符流 => 字节流，输出流不能字节流 => 字符流？

在存储设备上，所有数据都是以字节为单位存储的，所以输入到内存时必定是以字节为单位输入，输出到存储设备时必须是以字节为单位输出，字节流才是计算机最根本的存储方式，而字符流是在字节流的基础上对数据进行转换，输出字符，但每个字符依旧是以字节为单位存储的。

节点流和处理流

在这里需要额外插入一个小节讲解节点流和处理流。

• 节点流：节点流是真正传输数据的流对象，用于向特定的一个地方（节点）读写数据，称为节点流。例如 FileInputStream
• 处理流：处理流是对节点流的封装，使用外层的处理流读写数据，本质上是利用节点流的功能，外层的处理流可以提供额外的功能。处理流的基类都是以 Filter 开头。

 

上图将 ByteArrayInputStream 封装成 DataInputStream，可以将输入的字节数组转换为对应数据类型的数据。例如希望读入int类型数据，就会以2个字节为单位转换为一个数字。

Java IO 的核心类 File

Java 提供了 File类，它指向计算机操作系统中的文件和目录，通过该类只能访问文件和目录，无法访问内容。 它内部主要提供了 3 种操作：

• 访问文件的属性：绝对路径、相对路径、文件名······
• 文件检测：是否文件、是否目录、文件是否存在、文件的读/写/执行权限······
• 操作文件：创建目录、创建文件、删除文件······

上面举例的操作都是在开发中非常常用的，File 类远不止这些操作，更多的操作可以直接去 API 文档中根据需求查找。

访问文件的属性：

API	功能
String getAbsolutePath()	返回该文件处于系统中的绝对路径名
String getPath()	返回该文件的相对路径，通常与 new File() 传入的路径相同
String getName()	返回该文件的文件名

文件检测：

API	功能
boolean isFIle()	校验该路径指向是否一个文件
boolean isDirectory()	校验该路径指向是否一个目录
boolean isExist()	校验该路径指向的文件/目录是否存在
boolean canWrite()	校验该文件是否可写
boolean canRead()	校验该文件是否可读
boolean canExecute()	校验该文件/目录是否可以被执行

操作文件：

API	功能
mkdirs()	递归创建多个文件夹，路径中间有可能某些文件夹不存在
createNewFile()	创建新文件，它是一个原子操作，有两步：检查文件是否存在、创建新文件
delete()	删除文件或目录，删除目录时必须保证该目录为空

多了解一些

文件的读/写/执行权限，在 Windows 中通常表现不出来，而在 Linux 中可以很好地体现这一点，原因是 Linux 有严格的用户权限分组，不同分组下的用户对文件有不同的操作权限，所以这些方法在 Linux 下会比在 Windows 下更好理解。下图是 redis 文件夹中的一些文件的详细信息，被红框标注的是不同用户的执行权限：

• r（Read）：代表该文件可以被当前用户读，操作权限的序号是 4
• w（Write）：代表该文件可以被当前用户写，操作权限的序号是 2
• x（Execute）：该文件可以被当前用户执行，操作权限的序号是 1

 

root root 分别代表：当前文件的所有者，当前文件所属的用户分组。Linux 下文件的