面试题：自定义高效Java I/O流实现及性能调优

整体设计思路

关键类和接口
- 自定义I/O流类：继承自标准I/O流相关基类（如Java中可继承InputStream和OutputStream），实现核心的数据读取和写入方法。例如在Java中：

public class CustomNetworkInputStream extends InputStream {
    // 具体实现读取逻辑
    @Override
    public int read() throws IOException {
        // 从网络连接或缓冲区读取数据
    }
}

public class CustomNetworkOutputStream extends OutputStream {
    // 具体实现写入逻辑
    @Override
    public void write(int b) throws IOException {
        // 将数据写入网络连接或缓冲区
    }
}

- **网络连接类**：负责建立和管理网络连接，如TCP或UDP连接。以Java为例，可使用`Socket`或`DatagramSocket`。

import java.net.Socket;
public class NetworkConnection {
    private Socket socket;
    public NetworkConnection(String host, int port) throws IOException {
        socket = new Socket(host, port);
    }
    // 获取输入输出流等方法
    public InputStream getInputStream() throws IOException {
        return socket.getInputStream();
    }
    public OutputStream getOutputStream() throws IOException {
        return socket.getOutputStream();
    }
    public void close() throws IOException {
        socket.close();
    }
}

缓冲区管理策略
- 固定大小缓冲区：创建固定大小的字节数组作为缓冲区，如在Java中：byte[] buffer = new byte[8192];（8KB缓冲区大小，可根据实际情况调整）。
- 缓冲区填充与清空：读取数据时，从网络连接读取数据填充到缓冲区，写数据时，将缓冲区数据写入网络连接。当缓冲区满（写入操作）或空（读取操作）时，进行相应的处理。例如，在读取时，当缓冲区数据读完，重新从网络读取填充；写入时，当缓冲区满，将数据发送到网络。
- 双缓冲区机制：可以采用双缓冲区，一个用于读取（填充），另一个用于写入（清空），交替使用，减少等待时间。
异常处理机制
- 网络异常处理：在网络连接建立、数据读写过程中，可能会出现IOException，如连接超时、网络中断等。捕获异常后，关闭相关连接和流，并根据具体业务需求进行处理，如重试连接或通知上层应用。

try {
    NetworkConnection connection = new NetworkConnection("localhost", 8080);
    CustomNetworkOutputStream outputStream = new CustomNetworkOutputStream(connection.getOutputStream());
    outputStream.write(data);
} catch (IOException e) {
    // 记录日志，关闭连接和流
    e.printStackTrace();
}

- **其他异常处理**：如内存分配异常（`OutOfMemoryError`），可通过合理设置缓冲区大小，避免一次性分配过大内存，并在程序中增加内存监控和预警机制。

性能调优

高并发处理
- 线程池：使用线程池管理网络I/O操作线程，避免频繁创建和销毁线程开销。例如在Java中使用ThreadPoolExecutor。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
executorService.submit(() -> {
    // 网络I/O操作任务
});

- **非阻塞I/O**：采用非阻塞I/O模型（如Java NIO的`Selector`机制），允许在一个线程中处理多个网络连接的I/O操作，提高并发性能。

import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
Selector selector = Selector.open();
SocketChannel channel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
channel.configureBlocking(false);
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while (selector.select() > 0) {
    Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();
    while (keyIterator.hasNext()) {
        SelectionKey key = keyIterator.next();
        if (key.isReadable()) {
            // 处理读取操作
        }
        keyIterator.remove();
    }
}

大数据量处理
- 数据压缩：在传输前对数据进行压缩（如使用GZIP），减少网络传输的数据量。

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.util.zip.GZIPOutputStream;
byte[] dataToSend = "large data content".getBytes();
ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
GZIPOutputStream gzip = new GZIPOutputStream(bos);
gzip.write(dataToSend);
gzip.finish();
byte[] compressedData = bos.toByteArray();

- **分批传输**：将大数据分成多个小的数据块进行传输，避免一次性传输大量数据导致内存溢出或网络拥塞。同时合理设置缓冲区大小，优化数据块传输效率。

面试题：自定义高效Java I/O流实现及性能调优

知识考点

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