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Java I/O与NIO：数据流动的艺术

让天下没有难学的编程 2025-06-20
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课程导言：数据流动的本质

"程序如同生命体，I/O系统是它的血管网络——数据如同血液在其中流动，滋养着每一个计算细胞。掌握数据流动的艺术，就是掌握程序的生命线！"

现实世界类比

  • 传统I/O：单车道公路 - 一次只能通过一辆车（阻塞式）

  • NIO：多车道高速公路 - 多辆车可并行（非阻塞式+选择器）

  • 内存映射：空中走廊 - 直达目的地（零拷贝）

一、Java I/O基础：字节与字符的世界（40分钟）

1.1 I/O流分类体系

1.2 装饰器模式在I/O中的运用

    // 基础流
    FileInputStream fis = new FileInputStream("data.bin");
    // 装饰器：增加缓冲功能
    BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);
    // 装饰器：增加对象序列化功能
    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
    // 最终使用
    MyObject obj = (MyObject) ois.readObject();

    1.3 文件操作最佳实践

      // 自动资源管理（try-with-resources）
      try (BufferedReader reader = new BufferedReader(
              new FileReader("text.txt"))) {
          String line;
          while ((line = reader.readLine()) != null) {
              System.out.println(line);
          }
      }
      // 二进制文件复制
      try (InputStream in = new FileInputStream("source.jpg");
           OutputStream out = new FileOutputStream("copy.jpg")) {
          byte[] buffer = new byte[8192]; // 8KB缓冲
          int bytesRead;
          while ((bytesRead = in.read(buffer)) != -1) {
              out.write(buffer, 0, bytesRead);
          }
      }

      二、NIO核心：缓冲区与通道（50分钟）

      2.1 Buffer工作机制

        // 缓冲区状态流转
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 创建缓冲区
        // 写模式
        buffer.put("Hello".getBytes()); // position移动
        // 切换到读模式
        buffer.flip();    // limit=position, position=0
        // 读取数据
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get());
        }
        // 重置缓冲区
        buffer.clear();   // position=0, limit=capacity

        2.2 通道(Channel)类型对比

        通道类型
        特点
        适用场景
        FileChannel
        文件操作
        大文件读写
        SocketChannel
        TCP网络通信
        客户端/服务端
        ServerSocketChannel
        监听TCP连接
        服务端
        DatagramChannel
        UDP通信
        广播/数据报

        2.3 文件操作实战

          // 使用FileChannel复制文件（高效）
          try (FileChannel in = FileChannel.open(Paths.get("source.zip"), 
                       out = FileChannel.open(Paths.get("copy.zip"), 
                            StandardOpenOption.CREATE)) {
              in.transferTo(0, in.size(), out);
          }
          // 内存映射文件（随机访问）
          try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("data.bin", "rw")) {
              FileChannel channel = file.getChannel();
              MappedByteBuffer buffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);
              buffer.putInt(0, 123); // 直接修改文件内容
          }


          三、非阻塞I/O与选择器（40分钟）

          3.1 选择器(Selector)工作原理

          3.2 非阻塞服务器原型

            Selector selector = Selector.open();
            ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            server.configureBlocking(false);
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {
                selector.select(); // 阻塞直到有事件
                Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();


                while (iter.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iter.next();
                    iter.remove();


                    if (key.isAcceptable()) {
                        // 处理新连接
                        SocketChannel client = server.accept();
                        client.configureBlocking(false);
                        client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    } else if (key.isReadable()) {
                        // 处理读事件
                        SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        client.read(buffer);
                        buffer.flip();
                        processRequest(buffer); // 处理请求
                        key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
                    } else if (key.isWritable()) {
                        // 处理写事件
                        // ...
                    }
                }
            }

            四、NIO.2：文件操作现代化（30分钟）

            4.1 Path与Files工具类

              // 路径操作
              Path path = Paths.get("data", "sub", "file.txt");
              Path absPath = path.toAbsolutePath();
              Path parent = path.getParent();
              // 文件操作
              Files.createDirectories(path.getParent());
              Files.copy(source, target, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
              Files.lines(path).forEach(System.out::println); // 流式读取
              // 遍历目录
              Files.walk(Paths.get("."))
                   .filter(Files::isRegularFile)
                   .forEach(System.out::println);

              4.2 文件系统监控

                WatchService watchService = FileSystems.getDefault().newWatchService();
                Path dir = Paths.get("/data");
                dir.register(watchService, 
                    StandardWatchEventKinds.ENTRY_CREATE,
                    StandardWatchEventKinds.ENTRY_MODIFY);
                while (true) {
                    WatchKey key = watchService.take();
                    for (WatchEvent<?> event : key.pollEvents()) {
                        Path filename = (Path) event.context();
                        System.out.println("文件变化: " + filename);
                    }
                    key.reset();
                }

                五、实战：高性能文件服务器（20分钟）

                5.1 架构设计

                5.2 核心代码片段

                  // 文件传输方法
                  private void transferFile(SocketChannel client, Path filePath) throws IOException {
                      try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(filePath, StandardOpenOption.READ)) {
                          long position = 0;
                          long remaining = fileChannel.size();


                          while (remaining > 0) {
                              long transferred = fileChannel.transferTo(position, remaining, client);
                              position += transferred;
                              remaining -= transferred;
                          }
                      }
                  }

                  课程总结：I/O进化三阶段

                  1. 传统I/O：

                    • 阻塞模型

                    • 流式处理

                    • 简单易用

                  2. NIO 1.0：

                    • 非阻塞模型

                    • 缓冲区与通道

                    • 选择器机制

                  3. NIO 2.0：

                    • 异步I/O

                    • 文件系统API

                    • 完整路径操作

                  课后挑战

                  1. 文件加密工具：

                    void encryptFile(Path source, Path target, SecretKey key) {
                        // 使用AES加密文件
                        // 要求：支持大文件（>1GB）
                    }

                    1. 简易HTTP服务器：

                      class SimpleHttpServer {
                          public static void main(String[] args) throws IOException {
                              // 实现功能：
                              // 1. 处理GET请求
                              // 2. 返回静态文件
                              // 3. 支持并发访问
                          }
                      }

                      1. 目录同步工具：

                        class DirectorySynchronizer {
                            void sync(Path source, Path target) {
                                // 实现：
                                // 1. 监控源目录变化
                                // 2. 实时同步到目标目录
                                // 3. 支持增量同步
                            }
                        }

                        下节课预告：《Java网络编程：连接世界的桥梁》

                        你将学到：

                        1. TCP/UDP协议差异

                        2. Socket编程核心API

                        3. HTTP客户端实现

                        4. WebSocket双向通信

                        5. RPC框架原理

                        6. 网络调试工具使用

                        "掌握I/O就是掌握数据的命脉。记住：在编程世界里，数据不会自己流动——是优秀的程序员赋予它生命和方向！"

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