您的位置 首页 java

java基础学习之IO(2.基础的类结构及磁盘和网络IO的机制)

引言:

本篇是 Java io 学习系列的第二篇,主要介绍JAVA IO的基本架构及磁盘及网络IO的实现。关于 NIO 我们将在后面详细介绍。

JAVA I/O的架构:

I/O类的种类:

Java 的 I/O 操作类在包 java.io 下,根据操作的数据对象不同大约有将近 80 个类,但是这些类大概可以分成四组,分别是:

  1. 基于字节操作的 I/O 接口:InputStream 和 OutputStream
  2. FileInputStream、FileOutputStream、
  3. ByteArrayInputStream、ByteArrayOutputStream
  4. PipedReader、PipedWriter
  5. DataInputStream、DataOutputStream
  6. BufferedInputStream、BufferedOutputStream、
  7. PrintStream
  8. ObjectInputStream、ObjectOutputStream
  9. 基于字符操作的 I/O 接口:Writer 和 Reader
  10. FileReader、FileWriter
  11. CharArrayReader、CharArrayWriter
  12. PipedInputStream、PipedOutputStream
  13. BufferedReader、BufferedWriter
  14. PrintWriter
  15. InputStreamReader、OutputStreWriter
  16. 基于磁盘操作的 I/O 接口: File
  17. 基于网络操作的 I/O 接口: Socket

一,基于字节的 I/O 操作接口

基于字节的 I/O 输入和输出接口分别是InputStream 和 OutputStream,而InputStream 输入流接口中,又根据操作对象和操作方式不同分成了许多不同的类,其类继承层次如下图所示:

InputStream接口类层次结构

OutputStream输出流的类层次结构如下图所示:

Output Stream 接口类层次结构

InputStream 和 OutputStream也被称为“字节流”,它使用Decorator(装饰者)模式,按功能划分Stream,您可以动态装配这些Stream,以便获得您需要的功能。

如这样组合使用:

OutputStream out = new BufferedOutputStream(new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(“file1”));

实现原理并不复杂但非常巧妙,使用起来也非常方便。


二, 基于字符的 I/O 操作接口

字符类的操作接口,按照读写区分为”Reader”和”Writer”。

“Writer”写字符的 I/O 操作接口涉及到的类的层次结构如下图所示:

Writer写字符的类层次结构

读字符的的类结构,如下图所示:

Reader 类层次结构

读字符的操作接口中的主要方法是 int read(char cbuf[], int off, int len),返回读到的 n 个字节数。


三,字节与字符的转化接口

因为数据持久化(保存到磁盘)或网络传输都是以字节为单位进行存放的,所以必须要有字符到字节或字节到字符的转化。

字符到字节需要转化,转化的过程如下所示:

OutputStreamWriter:Writer的子类,将输出的字符流转换成字节流,将一个字符流的输出对象转换成字节流的输出对象。它调用了StreamEncoder,而StreamEncoder类才是完成字符到字节编码的实现类。

InputStreamReader:Reader的子类,将输入的字节流转换为字符流,将一个字节流的输入对象转换为字符流的输入对象。它调用了StreamDecoder,而StreamDecoder类才是完成字节到字符的解码的实现类,InputStream 到 Reader 的过程建议指定字符集,否则采用操作系统默认字符集,很可能会出现乱码问题。。

类结构图:

InputStreamReader类层次图


四,磁盘 I/O 工作机制

我们知道数据在磁盘的唯一最小描述就是文件,也就是说上层应用程序只能通过文件来操作磁盘上的数据,文件也是操作系统和磁盘驱动器交互的一个最小单元。

但 Java 中的 File其实是一个懒加载的对象,即File对象并不对应一个真实存在的文件,只有在真正要读取这个文件时,例如 在创建一个 FileInputStream 对象时,会创建一个 FileDescriptor 对象,这个对象才是真正对应一个操作系统的文件。


五,Socket 的工作机制

1.建立Socket通信的步骤:

步骤一,

客户端:

创建一个 Socket 实例,操作系统将为这个 Socket 实例分配一个没有被使用的本地 端口号 ,并创建一个包含本地和远程地址和端口号的套接字数据结构,这个数据结构将一直保存在系统中直到这个连接关闭。

服务端:

创建一个 ServerSocket 实例,ServerSocket 创建只要指定的端口号没有被占用即可,操作系统也会为 ServerSocket 实例创建一个底层数据结构,这个数据结构中包含指定监听的端口号和包含监听地址的通配符,一般都是“*”即监听所有地址,调用 accept() 方法时,将进入阻塞状态,等待客户端的请求。

步骤二,

客户端:

在创建 Socket 实例的构造函数正确返回之前,要进行 TCP 的三次握手协议。

服务端:

当一个新的请求到来时,为这个连接创建一个新的套接字数据结构,该套接字数据的信息包含的地址和端口信息是请求发起的地址和端口。这个新创建的数据结构将会放在到 ServerSocket 实例的一个未完成的连接数据结构列表中。注意:此时服务端与之对应的 Socket 实例并没有完成创建

步骤三,

客户端:

TCP 握手协议完成后,Socket 实例对象将创建完成,否则将抛出 IOException 错误。

服务端:

等到与客户端的三次握手完成后,这个服务端的 Socket 实例才会返回,并将这个 Socket 实例对应的数据结构从未完成列表中移到已完成列表中。所以 ServerSocket 所关联的列表中每个数据结构,都代表与一个客户端的建立的 TCP 连接。

2.数据传输的过程

只要连接成功,在服务端和客户端都会创建Socket 实例,每个 Socket 实例都有一个 InputStream 实例和 OutputStream实例,且操作系统将为 InputStream 和 OutputStream 分别分配一定大小的缓冲区,数据的写入和读取都是通过这个缓存区完成的。

当数据发送端将数据写到 OutputStream 的 SendQ 队列缓冲区中,当缓冲区填满时,数据将被发送到数据接收端的 InputStream 的 RecvQ 队列缓冲区中,如果这时 RecvQ 已经满了,那么 数据发送端的OutputStream 的 write 方法将会阻塞直到 数据接收端的RecvQ 队列有足够的空间容纳 SendQ 发送的数据。

需要注意的是,这个缓存区的大小以及写入端的速度和读取端的速度非常影响这个连接的数据传输效率,可能会发生阻塞或死锁。

以上就是今天的内容,后续我们将一起学习NIO相关的内容。

感兴趣的小伙伴,欢迎关注本人公众号:暖爸的java家园

文章来源:智云一二三科技

文章标题:java基础学习之IO(2.基础的类结构及磁盘和网络IO的机制)

文章地址:https://www.zhihuclub.com/188363.shtml

关于作者: 智云科技

热门文章

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。

网站地图