IO与流
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IO，即in和out，也就是输入和输出，指应用程序和外部设备之间的数据传递，常见的外部设备包括文件、管道、网络连接。
Java 中是通过流处理IO 的，那么什么是流？
流（Stream），是一个抽象的概念，是指一连串的数据（字符或字节），是以先进先出的方式发送信息的通道。
当程序需要读取数据的时候，就会开启一个通向数据源的流，这个数据源可以是文件，内存，或是网络连接。类似的，当程序需要写入数据的时候，就会开启一个通向目的地的流。这时候你就可以想象数据好像在这其中“流”动一样。
一般来说关于流的特性有下面几点：
先进先出：最先写入输出流的数据最先被输入流读取到。
顺序存取：可以一个接一个地往流中写入一串字节，读出时也将按写入顺序读取一串字节，不能随机访问中间的数据。（RandomAccessFile除外）
只读或只写：每个流只能是输入流或输出流的一种，不能同时具备两个功能，输入流只能进行读操作，对输出流只能进行写操作。在一个数据传输通道中，如果既要写入数据，又要读取数据，则要分别提供两个流。
传输方式有两种，字节和字符
字节（byte）是计算机中用来表示存储容量的一个计量单位，通常情况下，一个字节有 8 位（bit）。用来处理二进制文件（等一切文件），比如说图片、MP3 、视频。字节流本身没有缓冲区，缓冲字节流相对于字节流，效率提升非常高。由于一个字符通常由多个字节组成，如果用字节流读中文，读出来的是乱码。
字符（char）可以是计算机中使用的字母、数字、和符号，比如说 A 1 $ 这些。通常来说，一个字母或者一个字符占用一个字节，一个汉字占用两个字节。用来处理文本文件。字符流本身就带有缓冲区。字符流 = 字节流 + 编码表
虽然 IO 类很多，但核心的就是 4 个抽象类：InputStream、OutputStream、Reader、Writer。核心方法也就 2 个：read 和 write。
InputStream 类
int read()：读取数据
int read(byte b[], int off, int len)：从第 off 位置开始读，读取 len 长度的字节，然后放入数组 b 中
long skip(long n)：跳过指定个数的字节
int available()：返回可读的字节数
void close()：关闭流，释放资源
OutputStream 类
void write(int b)： 写入一个字节，虽然参数是一个 int 类型，但只有低 8 位才会写入，高 24 位会舍弃（这块后面再讲）
void write(byte b[], int off, int len)： 将数组 b 中的从 off 位置开始，长度为 len 的字节写入
void flush()： 强制刷新，将缓冲区的数据写入
void close()：关闭流
Reader 类
int read()：读取单个字符
int read(char cbuf[], int off, int len)：从第 off 位置开始读，读取 len 长度的字符，然后放入数组 b 中
long skip(long n)：跳过指定个数的字符
int ready()：是否可以读了
void close()：关闭流，释放资源
Writer 类
void write(int c)： 写入一个字符
void write( char cbuf[], int off, int len)： 将数组 cbuf 中的从 off 位置开始，长度为 len 的字符写入
void flush()： 强制刷新，将缓冲区的数据写入
void close()：关闭流
文件流：直接操作文件的流，可以细分为字节流（FileInputStream 和 FileOuputStream）和字符流（FileReader 和 FileWriter）。还可以用于创建、删除、重命名文件等操作。
数组流：针对文件的读写操作，使用文件流配合缓冲流就够用了，但为了提升效率，频繁地读写文件并不是太好，那么就出现了数组流，有时候也称为内存流。例如ByteArrayInputStream 。数组流可以用于在内存中读写数据，比如将数据存储在字节数组中进行压缩、加密、序列化等操作。它的优点是不需要创建临时文件，可以提高程序的效率。但是，数组流也有缺点，它只能存储有限的数据量，如果存储的数据量过大，会导致内存溢出。
管道：Java 中管道要求通信的双方必须在同一个进程中，也就是在同一个 JVM 中，管道为线程之间的通信提供了通信能力。一个线程通过 PipedOutputStream 写入的数据可以被另外一个线程通过相关联的 PipedInputStream 读取出来。可以实现不同线程之间的数据传输，可以用于线程间的通信、数据的传递等。
基本数据类型流：字节流，该流不仅可以读写字节和字符，还可以读写基本数据类型。提供了一系列可以读写基本数据类型的方法
缓冲：为了减少程序和硬盘的交互，提升程序的效率，就引入了缓冲流，也就是类名前缀带有 Buffer 的那些，比如说 BufferedInputStream、BufferedOutputStream、BufferedReader、BufferedWriter。即在内存中设置了一个缓冲区，只有缓冲区存储了足够多的带操作的数据后，才会和内存或者硬盘进行交互。简单来说，就是一次多读/写点，少读/写几次，这样程序的性能就会提高。但是，在使用缓冲流时需要注意缓冲区的大小和清空缓冲区的时机，以避免数据丢失或不完整的问题。
打印流：用于打印输出数据的类，包括 PrintStream 和 PrintWriter 两个类。System.out 其实返回的就是一个 PrintStream 对象，可以用来打印各式各样的对象。PrintStream 最终输出的是字节数据，而 PrintWriter 则是扩展了 Writer 接口，所以它的 print()/println() 方法最终输出的是字符数据。
对象序列化/反序列化：序列化本质上是将一个 Java 对象转成字节数组，然后可以将其保存到文件中，或者通过网络传输到远程。反序列化，也就是再将字节数组转成 Java 对象的过程。
转换：InputStreamReader 是从字节流到字符流的桥连接，它使用指定的字符集读取字节并将它们解码为字符。OutputStreamWriter 将一个字符流的输出对象变为字节流的输出对象，是字符流通向字节流的桥梁。使用转换流可以方便地在字节流和字符流之间进行转换。在进行文本文件读写时，通常使用字符流进行操作，而在进行网络传输或与设备进行通信时，通常使用字节流进行操作。
传统 IO 基于字节流或字符流（如 FileInputStream、BufferedReader 等）进行文件读写，以及使用 Socket 和 ServerSocket 进行网络传输。
NIO 使用通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行文件操作，以及使用 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 进行网络传输。
传统 IO 采用阻塞式模型，对于每个连接，都需要创建一个独立的线程来处理读写操作。当一个线程在等待 I/O 操作时，无法执行其他任务。这会导致大量线程的创建和销毁，以及上下文切换，降低了系统性能。
NIO 使用非阻塞模型，允许线程在等待 I/O 时执行其他任务。这种模式通过使用选择器（Selector）来监控多个通道（Channel）上的 I/O 事件，实现了更高的性能和可伸缩性。
nio 翻译成 no-blocking io 或者 new io 都无所谓啦，都说得通~
JDK 1.4 中，java.nio.*包引入新的 Java I/O 库，其目的是提高速度。实际上，“旧”的 I/O 包已经使用 NIO重新实现过，即使我们不显式的使用 NIO 编程，也能从中受益。
NIO 的魅力主要体现在网络中！
NIO（New I/O）的设计目标是解决传统 I/O（BIO，Blocking I/O）在处理大量并发连接时的性能瓶颈。传统 I/O 在网络通信中主要使用阻塞式 I/O，为每个连接分配一个线程。当连接数量增加时，系统性能将受到严重影响，线程资源成为关键瓶颈。而 NIO 提供了非阻塞 I/O 和 I/O 多路复用，可以在单个线程中处理多个并发连接，从而在网络传输中显著提高性能。
以下是 NIO 在网络传输中优于传统 I/O 的原因：
NIO 支持非阻塞 I/O，这意味着在执行 I/O 操作时，线程不会被阻塞。这使得在网络传输中可以有效地管理大量并发连接（数千甚至数百万）。而在操作文件时，这个优势没有那么明显，因为文件读写通常不涉及大量并发操作。
NIO 支持 I/O 多路复用，这意味着一个线程可以同时监视多个通道（如套接字），并在 I/O 事件（如可读、可写）准备好时处理它们。这大大提高了网络传输中的性能，因为单个线程可以高效地管理多个并发连接。操作文件时这个优势也无法提现出来。
NIO 提供了 ByteBuffer 类，可以高效地管理缓冲区。这在网络传输中很重要，因为数据通常是以字节流的形式传输。操作文件的时候，虽然也有缓冲区，但优势仍然不够明显
随着 Java 的发展，目前有三种 IO 共存。分别是 BIO、NIO 和 AIO。
BIO 全称 Block-IO 是一种同步且阻塞的通信模式。是一个比较传统的通信方式，模式简单，使用方便。但并发处理能力低，通信耗时，依赖网速。
Java NIO，全称 Non-Block IO ，是 Java SE 1.4 版以后，针对网络传输效能优化的新功能。是一种非阻塞同步的通信模式。 NIO 与原来的 I/O 有同样的作用和目的, 他们之间最重要的区别是数据打包和传输的方式。原来的 I/O 以流的方式处理数据，而 NIO 以块的方式处理数据。每一个操作都在一步中产生或者消费一个数据块。按块处理数据比按(流式的)字节处理数据要快得多。但是面向块的 I/O 缺少一些面向流的 I/O 所具有的优雅性和简单性。
Java AIO，全称 Asynchronous IO，是异步非阻塞的 IO。是一种非阻塞异步的通信模式。
举个例子：
同步阻塞模式：这种模式下，我们的工作模式是先来到厨房，开始烧水，并坐在水壶面前一直等着水烧开。
同步非阻塞模式：这种模式下，我们的工作模式是先来到厨房，开始烧水，但是我们不一直坐在水壶前面等，而是回到客厅看电视，然后每隔几分钟到厨房看一下水有没有烧开。
异步非阻塞模式：这种模式下，我们的工作模式是先来到厨房，开始烧水，我们不一直坐在水壶前面等，也不隔一段时间去看一下，而是在客厅看电视，水壶上面有个开关，水烧开之后他会通知我。
适用场景：
BIO 方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4 以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。
NIO 方式适用于高并发但是数据少的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4 开始支持。
AIO 方式适用于高并发高吞吐量的的架构，比如相册服务器，充分调用 OS 参与并发操作，编程比较复杂，JDK7 开始支持。
I/O 多路复用（I/O Multiplexing）模型使用操作系统提供的多路复用功能（如 select、poll、epoll 等），使得单个线程可以同时处理多个 I/O 事件。当某个连接上的数据准备好时，操作系统会通知应用程序。这样，应用程序可以在一个线程中处理多个并发连接，而不需要为每个连接创建一个线程。
select 是 Unix 系统中最早的 I/O 多路复用技术。它允许一个线程同时监视多个文件描述符（如套接字），并等待某个文件描述符上的 I/O 事件（如可读、可写或异常）。select 的主要问题是性能受限，特别是在处理大量文件描述符时。这是因为它使用一个位掩码来表示文件描述符集，每次调用都需要传递这个掩码，并在内核和用户空间之间进行复制。
poll 是对 select 的改进。它使用一个文件描述符数组而不是位掩码来表示文件描述符集。这样可以避免 select 中的性能问题。然而，poll 仍然需要遍历整个文件描述符数组，以检查每个文件描述符的状态。因此，在处理大量文件描述符时，性能仍然受限。
epoll 是 Linux 中的一种高性能 I/O 多路复用技术。它通过在内核中维护一个事件表来避免遍历文件描述符数组的性能问题。当某个文件描述符上的 I/O 事件发生时，内核会将该事件添加到事件表中。应用程序可以使用 epoll_wait 函数来获取已准备好的 I/O 事件，而无需遍历整个文件描述符集。这种方法大大提高了在大量并发连接下的性能。
在 Java NIO 中，I/O 多路复用主要通过 Selector 类实现。Selector 能够监控多个 Channel（通道）上的 I/O 事件，如连接、读取和写入。这使得一个线程可以处理多个并发连接，提高了程序的性能和可伸缩性。
信号驱动 I/O（Signal-driven I/O）模型中，应用程序可以向操作系统注册一个信号处理函数，当某个 I/O 事件发生时，操作系统会发送一个信号通知应用程序。应用程序在收到信号后处理相应的 I/O 事件。这种模型与非阻塞 I/O 类似，也需要在应用程序级别进行事件管理和调度。
多路复用和信号驱动的差别主要在事件通知机制和引用场景上。
多路复用模型允许一个线程同时管理多个 I/O 连接。这是通过使用特殊的系统调用（如 select、poll 和 epoll）实现的，它们能够监视多个文件描述符上的 I/O 事件。当某个 I/O 事件发生时，这些系统调用会返回，通知应用程序执行相应的 I/O 操作。I/O 多路复用模型适用于高并发、低延迟和高吞吐量的场景，因为它能够有效地减少线程数量和上下文切换开销。
信号驱动模型依赖于信号（如 SIGIO）来通知应用程序 I/O 事件的发生。在这个模型中，应用程序首先设置文件描述符为信号驱动模式，并为相应的信号注册处理函数。当 I/O 事件发生时，内核会发送一个信号给应用程序，触发信号处理函数的执行。然后，应用程序可以在信号处理函数中执行相应的 I/O 操作。I/O 信号驱动模型适用于低并发、低延迟和低吞吐量的场景，因为它需要为每个 I/O 事件创建一个信号和信号处理函数。
异步 I/O（Asynchronous I/O）模型与同步 I/O 模型的主要区别在于，异步 I/O 操作会在后台运行，当操作完成时，操作系统会通知应用程序。应用程序不需要等待 I/O 操作的完成，可以继续执行其他任务。这种模型适用于处理大量并发连接，且可以简化应用程序的设计和开发。
同步：在执行 I/O 操作时，应用程序需要等待操作的完成。同步操作会导致线程阻塞，直到操作完成。同步 I/O 包括阻塞 I/O、非阻塞 I/O 和 I/O 多路复用。
异步：在执行 I/O 操作时，应用程序不需要等待操作的完成。异步操作允许应用程序在 I/O 操作进行时继续执行其他任务。异步 I/O 模型包括信号驱动 I/O 和异步 I/O。
