对IO流原理及、分类及IO模型的一个大概认识【Java基础题】

1.流的分类

根据操作数据单位分类：
- 字节流
- 字符流

一般来说，字符流会比字节流效率更高，因为1个字符一般比1个字节（8bit）大（it depends on 具体的编码规则，例如UTF-8中1个中文等于3个字节，1个英文等于1个字节）。可以理解为一个工人一次可以搬的东西更多，则效率更高。但是，它们的应用场景不同，使用字节流来操作二进制的文件（例如图片、视频等）可以保证对文件的无损操作。而字符流就天然地更适合文本文件。

根据数据流的流向分类：
- 输入流
- 输出流

输入、输出是以JAVA程序（运行时内存）的角度来定义的，从外部数据源（硬盘或网络传输等外部数据源）传输到JAVA程序是输入，从JAVA程序传输到外部是输出。

字节流根据输入输出又分为字节输入流，字节输出流。

字节输入流的抽象基类是InputStream、字节输出流的抽象基类是OutputStream。

字符流根据输入输出又分为字符输入流，字符输出流。

字符输入流的抽象基类是Reader、字符输出流的抽象基类是Writer。

这些抽象基类是不能被直接实例化的，只能用相应的子类来实例化对象。

（1）JAVA中IO流总共涉及40多个类，但是都是由：InputStream、Outputstream、Reader、Writer这四个抽象基类派生的

（2）由上述四种类派生出来的子类名称都是以其父类名作为其名称后缀。

JAVA IO体系图参考：Java的IO流体系-CSDN博客

根据流的角色分类：
- 节点流 Node Stream
- 处理流/包装流

节点流是可以从特定的数据源读写数据。是比较底层的流，因为它门是直接连接、操作数据源的，没有过多的处理和包装。包装流（处理流）；对节点流进行包装，使它功能更加强大，既可以消除不同节点流的实现差异，也可以提供更方便的方法完成输入输出。

例如：BufferedReader继承Reader，它有一个Reader类型的成员变量in，这个in可以是Reader的任何子类，也就是BufferedReader是对这个节点流进行了一个封装。这里的设计模式属于修饰器模式。

处理流的功能主要主要体现在以下两个方面：

1.性能的提高：主要是以增加缓存的方式来提高输入输出的效率。

缓冲流的工作原理是预先从数据源读取数据存入内部缓冲区，或将输出数据暂存到内部缓冲区，直到缓冲区满了再一次性写入目的地。这样减少了与物理读写设备的交互次数，因为访问磁盘或网络资源通常比访问内存慢得多。缓冲流自动管理缓冲区，开发者不需要关心缓冲区的具体操作细节。

Java提供了四个主要的缓冲流类，分别用于不同的输入输出流：

BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream：用于增加缓冲功能的字节流。它们分别包装任何类型的InputStream和OutputStream，提供了缓冲的读写能力。

BufferedReader 和 BufferedWriter：用于增加缓冲功能的字符流。它们分别包装任何类型的Reader和Writer，同样提供了缓冲的读写能力。

2.操作的便捷：处理流可能提供了一系列便捷的方法来一次输入输出大批量的数据，使用更加灵活方便。

其他节点流：

对象流：ObjectInputStream、ObjectOutputStream 能够将基本数据类型和对象进行序列化（以指定的格式写入文件，非文本,dat后缀）和反序列化（读取到程序内存中），传入对象流中的对象一定要实现序列化Serializable接口，否则就会报NotSerializableException。要注意的是write和read的顺序要一一对应。序列化对象时，默认将里面所有属性都进行序列化，但除了static或transient修饰的成员。
标准输入输出：
- System.in 标准输入它的编译类型是 InputStream 它的运行类型是BufferedInputStream 默认设备是键盘
- System.out 标准输出它的编译类型是 PrintStream 运行时类型是 PrintStream 默认设备是屏幕
转换流：InputStreamReader、OutputStreamWriter---->用于将字节流转换成字符流，可用于解决中文乱码问题
打印流：打印流只有输出流没有输入流，PrintStream、PrintWriter

2.文件与流之间的关系

流是文件（数据）的通道

创建流对象和指定的文件关联起来后，就用这个流对象操作文件

相关的类：

1.FileInputStream 构造方法是需要与实际的文件或者File对象相关联起来（也就是一个FileInputStream对应一个文件？）

在Java中，FileInputStream是用于从文件中读取数据的一种输入流。当你创建一个FileInputStream实例时，你必须指定一个文件源，这可以是一个文件路径的字符串，也可以是一个File对象。如果指定的文件不存在，构造FileInputStream时会抛出一个FileNotFoundException，这意味着在创建流对象之前，必须确保文件确实存在且对当前程序可读。

每个FileInputStream流对象和一个具体的文件是一对一对应的。这意味着流对象是专门为了从一个特定的文件中读取数据而打开的，它与那个文件绑定在一起。如果你需要从另一个文件读取数据，就必须创建一个新的FileInputStream对象来指向新的文件。

这种设计反映了流（Stream）的概念：流是一次性的、有方向的数据序列，它们连接程序和数据源或数据目标。在文件IO中，数据源或目标就是特定的文件。一旦流与数据源或目标建立了连接，它就只能用于那个特定的数据源或目标。如果要处理另一个文件，就需要开启一个新的流。

这不仅适用于FileInputStream，还适用于Java中的其他类型的流，如FileOutputStream（用于写文件）、ObjectInputStream和ObjectOutputStream（用于读写对象）等。每次使用这些流时，都需要为它们指定一个具体的数据源或目标。

举个例子，如果你先后需要从两个不同的文件中读取数据，你需要为每个文件创建各自的FileInputStream对象

2.FileOutputStream

3.FileReader 继承的是--->InputStreamReader--->Reader

4.FileWriter 继承的是--->OutputStreamWriter--->Writer

FileWriter调用write方法，要close或者flush才能写到指定的文件？为什么？

Write只是写到FileWriter对象，最后close才会保存到磁盘。FileWriter的底层是用的FileOutputStream，最终要写到磁盘用的是FileOutputStream的Write

其他具体的细节内容需要在后面的文章中拓展。

3.什么是IO模型？BIO NIO AIO？

IO模型：IO模型决定了数据如何在应用程序和网络间传输。IO模型是系统底层的支持，不同语言和框架对这些模型的支持和实现方式可能会有所不同。虽然IO模型最初是针对网络IO操作来描述的，但它们的基本原则和方法同样适用于本地IO操作。

BIO：BlockingIO，传统IO模型，同步阻塞IO--->可以大概对应的实现是java中java.io包

应用程序执行IO操作时，如果数据未准备好，它将一直等待数据准备完毕。一旦数据准备好了，再将数据从内核空间拷贝到用户空间，此过程中应用程序是阻塞的。

每个请求都需要在处理过程中阻塞等待。（比如socket在服务端一般是while(ture){server.accept()}，没有接收到数据的时候，这个线程就会一直停在这里）

这意味着如果要同时处理多个请求，就需要为每个请求分配一个线程，随着请求数量的增加，线程数量也会相应增长，这在并发量较高时会占用大量的系统资源。

NIO：Non-BlockingIO，同步非阻塞IO--->可以大概对应的实现是java中java.nio包

应用程序执行IO操作时，如果数据未准备好，它不会等待数据准备完毕，而是直接返回一个错误码。应用程序可以继续做其他事情，但需要不断地检查数据是否准备好。

可以让你进行非阻塞的IO操作。核心组成部分包括Buffers（缓冲区）、Channels（通道）、Selectors（选择器）等。NIO允许单个线程管理多个IO操作。如果在非阻塞模式下没有IO操作可用，线程可以进行其他任务，而不是阻塞等待，从而提高了资源利用率。Java中的java.nio包提供了NIO功能，核心类包括ByteBuffer、CharBuffer、Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel等。

AIO: AsynchronousIO，异步非阻塞IO--->可以大概对应的实现是java中java.nio.channels中的异步类

应用程序发起IO操作后可以直接进行其他任务，当IO操作完成后，系统会通知应用程序IO操作已经完成。

AIO适用于连接数较多且连接时间较长的应用，Java中的java.nio.channels.AsynchronousFileChannel和java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel是AIO模型的两个例子。