java中最最让人激动的部分就是IO和NIO了。IO的全称是input output，是java程序跟外部世界交流的桥梁，IO指的是java.io包中的所有类，他们是从java1.0开始就存在的。NIO叫做new IO，是在java1.4中引入的新一代IO。

IO的本质是什么呢？它和NIO有什么区别呢？我们该怎么学习IO和NIO呢？

本系列将会借助小师妹的视角，详细讲述学习java IO的过程，希望大家能够喜欢。

小师妹何许人也？姓名不详，但是勤奋爱学，潜力无限，一起来看看吧。

本文的例子https://github.com/ddean2009/learn-java-io-nio

文章太长，大家可以直接下载本文PDF：下载链接java-io-all-in-one.pdf

第一章 IO的本质

IO的本质

IO的作用就是从外部系统读取数据到java程序中，或者把java程序中输出的数据写回到外部系统。这里的外部系统可能是磁盘，网络流等等。

因为对所有的外部数据的处理都是由操作系统内核来实现的，对于java应用程序来说，只是调用操作系统中相应的接口方法，从而和外部数据进行交互。

所有IO的本质就是对Buffer的处理，我们把数据放入Buffer供系统写入外部数据，或者从系统Buffer中读取从外部系统中读取的数据。如下图所示：

用户空间也就是我们自己的java程序有一个Buffer，系统空间也有一个buffer。所以会出现系统空间缓存数据的情况，这种情况下系统空间将会直接返回Buffer中的数据，提升读取速度。

DMA和虚拟地址空间

在继续讲解之前，我们先讲解两个操作系统中的基本概念，方便后面我们对IO的理解。

现代操作系统都有一个叫做DMA（Direct memory access）的组件。这个组件是做什么的呢？

一般来说对内存的读写都是要交给CPU来完成的，在没有DMA的情况下，如果程序进行IO操作，那么所有的CPU时间都会被占用，CPU没法去响应其他的任务，只能等待IO执行完成。这在现代应用程序中是无法想象的。

如果使用DMA，则CPU可以把IO操作转交给其他的操作系统组件，比如数据管理器来操作，只有当数据管理器操作完毕之后，才会通知CPU该IO操作完成。现代操作系统基本上都实现了DMA。

虚拟地址空间也叫做（Virtual address space），为了不同程序的互相隔离和保证程序中地址的确定性，现代计算机系统引入了虚拟地址空间的概念。简单点讲可以看做是跟实际物理地址的映射，通过使用分段或者分页的技术，将实际的物理地址映射到虚拟地址空间。

对于上面的IO的基本流程图中，我们可以将系统空间的buffer和用户空间的buffer同时映射到虚拟地址空间的同一个地方。这样就省略了从系统空间拷贝到用户空间的步骤。速度会更快。

同时为了解决虚拟空间比物理内存空间大的问题，现代计算机技术一般都是用了分页技术。

分页技术就是将虚拟空间分为很多个page，只有在需要用到的时候才为该page分配到物理内存的映射，这样物理内存实际上可以看做虚拟空间地址的缓存。

虚拟空间地址分页对IO的影响就在于，IO的操作也是基于page来的。

比较常用的page大小有：1,024, 2,048, 和 4,096 bytes。

IO的分类

IO可以分为File/Block IO和Stream I/O两类。

对于File/Block IO来说，数据是存储在disk中，而disk是由filesystem来进行管理的。我们可以通过filesystem来定义file的名字，路径，文件属性等内容。

filesystem通过把数据划分成为一个个的data blocks来进行管理。有些blocks存储着文件的元数据，有些block存储着真正的数据。

最后filesystem在处理数据的过程中，也进行了分页。filesystem的分页大小可以跟内存分页的大小一致，或者是它的倍数，比如 2,048 或者 8,192 bytes等。

并不是所有的数据都是以block的形式存在的，我们还有一类IO叫做stream IO。

stream IO就像是管道流，里面的数据是序列被消费的。

IO和NIO的区别

java1.0中的IO是流式IO，它只能一个字节一个字节的处理数据，所以IO也叫做Stream IO。

而NIO是为了提升IO的效率而生的，它是以Block的方式来读取数据的。

Stream IO中，input输入一个字节，output就输出一个字节，因为是Stream，所以可以加上过滤器或者过滤器链，可以想想一下web框架中的filter chain。在Stream IO中，数据只能处理一次，你不能在Stream中回退数据。

在Block IO中，数据是以block的形式来被处理的，因此其处理速度要比Stream IO快，同时可以回退处理数据。但是你需要自己处理buffer，所以复杂程度要比Stream IO高。

一般来说Stream IO是阻塞型IO，当线程进行读或者写操作的时候，线程会被阻塞。

而NIO一般来说是非阻塞的，也就是说在进行读或者写的过程中可以去做其他的操作，而读或者写操作执行完毕之后会通知NIO操作的完成。

在IO中，主要分为DataOutPut和DataInput，分别对应IO的out和in。

DataOutPut有三大类，分别是Writer，OutputStream和ObjectOutput。

看下他们中的继承关系：

DataInput也有三大类，分别是ObjectInput，InputStream和Reader。

看看他们的继承关系：

NIO需要掌握的类的个数比IO要稍稍多一点，毕竟NIO要复杂一点。

就这么几十个类，我们就掌握了IO和NIO，想想都觉得兴奋。

总结

后面的文章中，我们会介绍小师妹给你们认识，刚好她也在学java IO，后面的学习就跟她一起进行吧，敬请期待。

第二章 try with和它的底层原理

简介

小师妹是个java初学者，最近正在学习使用java IO，作为大师兄的我自然要给她最给力的支持了。一起来看看她都遇到了什么问题和问题是怎么被解决的吧。

IO关闭的问题

这一天，小师妹一脸郁闷的问我：F师兄，我学Java IO也有好多天了，最近写了一个例子，读取一个文件没有问题，但是读取很多个文件就会告诉我：”Can't open so many files“，能帮我看看是什么问题吗？

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小师妹的要求当然不能拒绝，我立马响应：可能打开文件太多了吧，教你两个命令，查看最大文件打开限制。

一个命令是 ulimit -a

第二个命令是

ulimit -n
256

看起来是你的最大文件限制太小了，只有256个，调大一点就可以了。

小师妹却说：不对呀F师兄，我读文件都是一个一个读的，没有同时开这么多文件哟。

好吧，看下你写的代码吧：

BufferedReader bufferedReader = null;
        try {
            String line;
            bufferedReader = new BufferedReader(new FileReader("trywith/src/main/resources/www.flydean.com"));
            while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) {
                log.info(line);
            }
        } catch (IOException e) {
            log.error(e.getMessage(), e);
        }

看完代码，问题找到了，小师妹，你的IO没有关闭，应该在使用之后，在finally里面把你的reader关闭。

下面这段代码就行了：

BufferedReader bufferedReader = null;
        try {
            String line;
            bufferedReader = new BufferedReader(new FileReader("trywith/src/main/resources/www.flydean.com"));
            while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) {
                log.info(line);
            }
        } catch (IOException e) {
            log.error(e.getMessage(), e);
        } finally {
            try {
                if (bufferedReader != null){
                 bufferedReader.close();
                }
            } catch (IOException ex) {
                log.error(ex.getMessage(), ex);
            }
        }

小师妹道了一声谢，默默的去改代码了。

使用try with resource

过了半个小时，小师妹又来找我了，F师兄，现在每段代码都要手动添加finally，实在是太麻烦了，很多时候我又怕忘记关闭IO了，导致程序出现无法预料的异常。你也知道我这人从来就怕麻烦，有没有什么简单的办法，可以解决这个问题呢？

那么小师妹你用的JDK版本是多少？

小师妹不好意思的说：虽然最新的JDK已经到14了，我还是用的JDK8.JDK8就够了，其实从JDK7开始，Java引入了try with resource的新功能，你把使用过后要关闭的resource放到try里面，JVM会帮你自动close的，是不是很方便，来看下面这段代码：

try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("trywith/src/main/resources/www.flydean.com")))
        {
            String sCurrentLine;
            while ((sCurrentLine = br.readLine()) != null)
            {
                log.info(sCurrentLine);
            }
        } catch (IOException e) {
            log.error(e.getMessage(), e);
        }

try with resource的原理

太棒了，小师妹非常开心，然后又开始问我了：F师兄，什么是resource呀？为什么放到try里面就可以不用自己close了？

resource就是资源，可以打开个关闭，我们可以把实现了java.lang.AutoCloseable接口的类都叫做resource。

先看下AutoCloseable的定义：

public interface AutoCloseable {
        void close() throws Exception;
}

AutoCloseable定义了一个close()方法，当我们在try with resource中打开了AutoCloseable的资源，那么当try block执行结束的时候，JVM会自动调用这个close（）方法来关闭资源。

我们看下上面的BufferedReader中close方法是怎么实现的：

public void close() throws IOException {
    synchronized (lock) {
        if (in == null)
            return;
        in.close();
        in = null;
        cb = null;
    }
}

自定义resource

小师妹恍然大悟：F师兄，那么我们是不是可以实现AutoCloseable来创建自己的resource呢？

当然可以了，我们举个例子，比如给你解答完这个问题，我就要去吃饭了，我们定义这样一个resource类：

public class CustResource implements AutoCloseable {
    public void helpSister(){
        log.info("帮助小师妹解决问题！");
    }
    @Override
    public void close() throws Exception {
        log.info("解决完问题，赶紧去吃饭！");
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
       try( CustResource custResource= new CustResource()){
           custResource.helpSister();
       }
    }
}

运行输出结果：

[main] INFO com.flydean.CustResource - 帮助小师妹解决问题！
[main] INFO com.flydean.CustResource - 解决完问题，赶紧去吃饭！

总结

最后，小师妹的问题解决了，我也可以按时吃饭了。

第三章 File文件系统

简介

小师妹又遇到难题了，这次的问题是有关文件的创建，文件权限和文件系统相关的问题，还好这些问题的答案都在我的脑子里面，一起来看看吧。

文件权限和文件系统

早上刚到公司，小师妹就凑过来神神秘秘的问我：F师兄，我在服务器上面放了一些重要的文件，是非常非常重要的那种，有没有什么办法给它加个保护，还兼顾一点隐私？

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什么文件这么重要呀？不会是你的照片吧，放心没人会感兴趣的。

小师妹说：当然不是，我要把我的学习心得放上去，但是F师兄你知道的，我刚刚开始学习，很多想法都不太成熟，想先保个密，后面再公开。

看到小师妹这么有上进心，我老泪纵横，心里很是安慰。那就开始吧。

你知道，这个世界上操作系统分为两类，windows和linux（unix）系统。两个系统是有很大区别的，但两个系统都有一个文件的概念，当然linux中文件的范围更加广泛，几乎所有的资源都可以看做是文件。

有文件就有对应的文件系统，这些文件系统是由系统内核支持的，并不需要我们在java程序中重复造轮子，直接调用系统的内核接口就可以了。

小师妹：F师兄，这个我懂，我们不重复造轮子，我们只是轮子的搬运工。那么java是怎么调用系统内核来创建文件的呢？

创建文件最常用的方法就是调用File类中的createNewFile方法，我们看下这个方法的实现：

public boolean createNewFile() throws IOException {
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        if (security != null) security.checkWrite(path);
        if (isInvalid()) {
            throw new IOException("Invalid file path");
        }
        return fs.createFileExclusively(path);
    }

方法内部先进行了安全性检测，如果通过了安全性检测就会调用FileSystem的createFileExclusively方法来创建文件。

在我的mac环境中，FileSystem的实现类是UnixFileSystem：

public native boolean createFileExclusively(String path)
        throws IOException;

看到了吗？UnixFileSystem中的createFileExclusively是一个native方法，它会去调用底层的系统接口。

小师妹：哇，文件创建好了，我们就可以给文件赋权限了，但是windows和linux的权限是一样的吗？

这个问题问得好，java代码是跨平台的，我们的代码需要同时在windows和linux上的JVM执行，所以必须找到他们权限的共同点。

我们先看一下windows文件的权限：

可以看到一个windows文件的权限可以有修改，读取和执行三种，特殊权限我们先不用考虑，因为我们需要找到windows和linux的共同点。

再看下linux文件的权限：

ls -al www.flydean.com 
-rw-r--r--  1 flydean  staff  15 May 14 15:43 www.flydean.com

上面我使用了一个ll命令列出了www.flydean.com这个文件的详细信息。其中第一列就是文件的权限了。

linux的基本文件权限可以分为三部分，分别是owner，group，others，每部分和windows一样都有读，写和执行的权限，分别用rwx来表示。

三部分的权限连起来就成了rwxrwxrwx，对比上面我们的输出结果，我们可以看到www.flydean.com这个文件对owner自己是可读写的，对Group用户是只读的，对other用户也是只读的。

你要想把文件只对自己可读，那么可以执行下面的命令：

chmod 600 www.flydean.com

小师妹立马激动起来：F师兄，这个我懂，6用二进制表示就是110，600用二进制表示就是110000000，刚刚好对应rw-------。

对于小师妹的领悟能力，我感到非常满意。

文件的创建

虽然我们已经不是孔乙己时代了，不需要知道茴字的四种写法，但是多一条知识多一条路，做些充足的准备还是非常有必要的。

小师妹，那你知道在java中有哪几种文件的创建方法呢？

小师妹小声道：F师兄，我只知道一种new File的方法。

我满意的抚摸着我的胡子，显示一下自己高人的气场。

之前我们讲过了，IO有三大类，一种是Reader/Writer，一种是InputStream/OutputStream,最后一种是ObjectReader/ObjectWriter。

除了使用第一种new File之外，我们还可以使用OutputStream来实现，当然我们还要用到之前讲到try with resource特性，让代码更加简洁。

先看第一种方式：

public void createFileWithFile() throws IOException {
        File file = new File("file/src/main/resources/www.flydean.com");
        //Create the file
        if (file.createNewFile()){
            log.info("恭喜，文件创建成功");
        }else{
            log.info("不好意思，文件创建失败");
        }
        //Write Content
        try(FileWriter writer = new FileWriter(file)){
            writer.write("www.flydean.com");
        }
    }

再看第二种方式：

public  void createFileWithStream() throws IOException
    {
        String data = "www.flydean.com";
        try(FileOutputStream out = new FileOutputStream("file/src/main/resources/www.flydean.com")){
            out.write(data.getBytes());
        }
    }

第二种方式看起来比第一种方式更加简介。

小师妹：慢着，F师兄，JDK7中NIO就已经出现了，能不能使用NIO来创建文件呢？

这个问题当然难不到我：

public void createFileWithNIO()  throws IOException
    {
        String data = "www.flydean.com";
        Files.write(Paths.get("file/src/main/resources/www.flydean.com"), data.getBytes());
        List<String> lines = Arrays.asList("程序那些事", "www.flydean.com");
        Files.write(Paths.get("file/src/main/resources/www.flydean.com"),
                lines,
                StandardCharsets.UTF_8,
                StandardOpenOption.CREATE,
                StandardOpenOption.APPEND);
    }

NIO中提供了Files工具类来实现对文件的写操作，写的时候我们还可以带点参数，比如字符编码，是替换文件还是在append到文件后面等等。

代码中文件的权限

小师妹又有问题了：F师兄，讲了半天，还没有给我讲权限的事情啦。

别急，现在就讲权限：

public void fileWithPromission() throws IOException {
        File file = File.createTempFile("file/src/main/resources/www.flydean.com","");
        log.info("{}",file.exists());
        file.setExecutable(true);
        file.setReadable(true,true);
        file.setWritable(true);
        log.info("{}",file.canExecute());
        log.info("{}",file.canRead());
        log.info("{}",file.canWrite());
        Path path = Files.createTempFile("file/src/main/resources/www.flydean.com", "");
        log.info("{}",Files.exists(path));
        log.info("{}",Files.isReadable(path));
        log.info("{}",Files.isWritable(path));
        log.info("{}",Files.isExecutable(path));
    }

上面我们讲过了，JVM为了通用，只能取windows和linux都有的功能，那就是说权限只有读写和执行权限，因为windows里面也可以区分本用户或者其他用户，所以是否是本用户的权限也保留了。

上面的例子我们使用了传统的File和NIO中的Files来更新文件的权限。

总结

好了，文件的权限就先讲到这里了。

小师妹学IO系列文章集合-附PDF下载(一)