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【杂类】I/O

web 2025/9/7 5:26:28

一句话概括

I/O 操作就是你的程序与外部世界“打交道”的过程。

这个“外部世界”可以是：

硬件：硬盘上的文件、键盘、鼠标、显示器、网卡...
其他程序：通过网络与另一台电脑上的程序通信。

一个生动的比喻：厨房做饭

想象你是一个厨师（CPU，负责处理任务），在厨房（内存，工作间）里做饭。

从冰箱拿食材（读操作 - Input）
- 你走到冰箱（硬盘/磁盘）前，打开门，把里面的鸡肉和蔬菜（数据）拿到厨房的操作台上（内存）。
- 这个过程就是 Input（输入/读）：从外部设备（冰箱）将数据（食材）读取到内存（厨房）中供程序（你）处理。
把做好的菜放进冰箱（写操作 - Output）
- 菜做好了，你把它装盘，然后打开冰箱门，把菜放进去保存。
- 这个过程就是 Output（输出/写）：将内存（厨房）中处理好的数据（菜）写入到外部设备（冰箱）中保存起来。

整个“走去冰箱-打开门-拿/放东西-关上门-走回来”的过程，就是一个 I/O 操作。 关键点在于：它很慢！ 它会让你（CPU）停下来等待。

为什么 I/O 操作很“昂贵”（慢）？

继续用厨房的比喻：

你（CPU）处理速度极快：切菜、炒菜可能只需要几秒钟。
但你走去冰箱（I/O）的过程极慢：可能需要几十秒甚至几分钟。

计算机也是如此：

CPU 和内存的速度：是纳秒（十亿分之一秒）级别的。
硬盘、网络等 I/O 设备的速度：是毫秒（千分之一秒）级别的。

速度差距是几十万甚至上百万倍！ 因此，当程序执行 I/O 操作时，它必须停下来等待数据从慢速的设备传来，这极大地拖慢了程序的整体效率。

常见的 I/O 操作有哪些？

几乎所有与“外部”打交道的事情都是 I/O 操作：

I/O 类型	具体例子	说明
磁盘 I/O	读写硬盘上的文件、启动一个程序	程序从磁盘加载数据到内存，或将内存中的数据保存到磁盘。
网络 I/O	访问一个网页、发微信消息、查询数据库（数据库通常在另一台机器上）	你的程序通过网络卡与另一台机器上的程序进行数据交换。
数据库 I/O	从 MySQL 中查询用户数据	这本质上是网络 I/O（如果数据库在远程服务器）和磁盘 I/O（数据库最终要读写磁盘）的组合。
设备 I/O	从键盘输入、在显示器上显示、用鼠标点击	与输入输出设备的交互。

一个简单的代码例子：

// 这是一个非常典型的【文件 I/O 操作】（写 - Output）
import java.io.*;public class TestIO {public static void main(String[] args) {// 程序（内存） => 文件（磁盘）：Outputtry (FileWriter writer = new FileWriter("test.txt")) {writer.write("Hello, World!"); // 数据从内存写出到磁盘}// 文件（磁盘） => 程序（内存）：Inputtry (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader("test.txt"))) {String line = reader.readLine(); // 数据从磁盘读取到内存System.out.println(line);}}
}

如何应对 I/O 的“慢”？—— 两种重要策略

因为 I/O 是瓶颈，所以程序员想出了很多办法来优化：

缓冲（Buffering）
- 比喻：你不是做一盘菜就往冰箱跑一次，而是用一个推车（缓冲区），攒够五六盘菜再一次性推过去放好。
- 技术：BufferedOutputStream, BufferedReader。将多次小的 I/O 操作合并成一次大的 I/O 操作，减少来回次数，显著提升效率。
异步 I/O（Asynchronous I/O）
- 比喻：你不是自己傻站着等冰箱门开关。你雇了一个助手（另一个线程），对他说：“去帮我把冰箱里的鸡肉拿来，拿好了叫我。” 然后你就可以继续切菜（处理其他任务），不用干等着。
- 技术：Future，回调函数，NIO。在等待 I/O 结果的同时，CPU 可以去执行其他任务，极大地提高了系统的整体吞吐量。