【Java基础-3】吃透 IO流：字节流、字符流（缓冲流随后讲）

前言

有人曾问fastjson的作者（阿里技术专家高铁）：“你开发fastjson，没得到什么好处，反而挨了骂背了锅，这种事情你为什么要做呢？”

高铁答道：“因为热爱本身，就是奖励啊！”

这个回答顿时触动了我。想想自己，又何尝不是如此。写作是个痛苦的过程，用心写作就更加煎熬，需字字斟酌，反复删改才有所成。然而，当一篇篇精良文章出自己手而呈现眼前时，那些痛苦煎熬就都那么值得。如果这些博文能有幸得大家阅读和认可，就更加是莫大的鼓舞了。技术人的快乐就是可以这么纯粹和简单。

1 初识Java IO

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：
1.先进先出：最先写入输出流的数据最先被输入流读取到。

2.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）

3.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。

1.1 IO流分类

IO流主要的分类方式有以下3种：

1.按数据流的方向：输入流、输出流
2.按处理数据单位：字节流、字符流
3.按功能：节点流、处理流

1、输入流与输出流

输入与输出是相对于应用程序而言的，比如文件读写，读取文件是输入流，写文件是输出流，这点很容易搞反。

2、字节流与字符流

字节流和字符流的用法几乎完成全一样，区别在于字节流和字符流所操作的数据单元不同，字节流操作的单元是数据单元是8位的字节，字符流操作的是数据单元为16位的字符。

为什么要有字符流？

Java中字符是采用Unicode标准，Unicode 编码中，一个英文字母或一个中文汉字为两个字节。

那么问题来了，如果使用字节流处理中文，如果一次读写一个字符对应的字节数就不会有问题，一旦将一个字符对应的字节分裂开来，就会出现乱码了。为了更方便地处理中文这些字符，Java就推出了字符流。

字节流和字符流的其他区别：
1.字节流一般用来处理图像、视频、音频、PPT、Word等类型的文件。字符流一般用于处理纯文本类型的文件，如TXT文件等，但不能处理图像视频等非文本文件。用一句话说就是：字节流可以处理一切文件，而字符流只能处理纯文本文件。
2.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。而字符流本身就带有缓冲区，缓冲字符流相对于字符流效率提升就不是那么大了。详见文末效率对比。
以写文件为例，我们查看字符流的源码，发现确实有利用到缓冲区：


3、节点流和处理流

节点流：直接操作数据读写的流类，比如FileInputStream

处理流：对一个已存在的流的链接和封装，通过对数据进行处理为程序提供功能强大、灵活的读写功能，例如BufferedInputStream（缓冲字节流）

处理流和节点流应用了Java的装饰者设计模式。

下图就很形象地描绘了节点流和处理流，处理流是对节点流的封装，最终的数据处理还是由节点流完成的。

完整的IO分类图如下：

案例实操

接下来，我们看看如何使用Java IO。

文本读写的例子，也就是文章开头所说的，将“松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。”写入本地文本，然后再从文件读取内容并输出到控制台。

1、FileInputStream、FileOutputStream（字节流）

字节流的方式效率较低，不建议使用

public class IOTest {
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		File file = new File("D:/test.txt");

		write(file);
		System.out.println(read(file));
	}

	public static void write(File file) throws IOException {
		OutputStream os = new FileOutputStream(file, true);

		// 要写入的字符串
		String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";
		// 写入文件
		os.write(string.getBytes());
		// 关闭流
		os.close();
	}

	public static String read(File file) throws IOException {
		InputStream in = new FileInputStream(file);

		// 一次性取多少个字节
		byte[] bytes = new byte[1024];
		// 用来接收读取的字节数组
		StringBuilder sb = new StringBuilder();
		// 读取到的字节数组长度，为-1时表示没有数据
		int length = 0;
		// 循环取数据
		while ((length = in.read(bytes)) != -1) {
			// 将读取的内容转换成字符串
			sb.append(new String(bytes, 0, length));
		}
		// 关闭流
		in.close();

		return sb.toString();
	}
}

2、InputStreamReader、OutputStreamWriter（字符流）

字符流适用于文本文件的读写，OutputStreamWriter类其实也是借助FileOutputStream类实现的，故其构造方法是FileOutputStream的对象

public class IOTest {
	
	public static void write(File file) throws IOException {
		// OutputStreamWriter可以显示指定字符集，否则使用默认字符集
		OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream(file, true), "UTF-8");

		// 要写入的字符串
		String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";
		osw.write(string);
		osw.close();
	}

	public static String read(File file) throws IOException {
		InputStreamReader isr = new InputStreamReader(new FileInputStream(file), "UTF-8");
		// 字符数组：一次读取多少个字符
		char[] chars = new char[1024];
		// 每次读取的字符数组先append到StringBuilder中
		StringBuilder sb = new StringBuilder();
		// 读取到的字符数组长度，为-1时表示没有数据
		int length;
		// 循环取数据
		while ((length = isr.read(chars)) != -1) {
			// 将读取的内容转换成字符串
			sb.append(chars, 0, length);
		}
		// 关闭流
		isr.close();

		return sb.toString()
	}
}

3、字符流便捷类
**

Java提供了FileWriter和FileReader简化字符流的读写，new FileWriter等同于new
OutputStreamWriter(new FileOutputStream(file, true))

**

public class IOTest {
	
	public static void write(File file) throws IOException {
		FileWriter fw = new FileWriter(file, true);

		// 要写入的字符串
		String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";
		fw.write(string);
		fw.close();
	}

	public static String read(File file) throws IOException {
		FileReader fr = new FileReader(file);
		// 一次性取多少个字节
		char[] chars = new char[1024];
		// 用来接收读取的字节数组
		StringBuilder sb = new StringBuilder();
		// 读取到的字节数组长度，为-1时表示没有数据
		int length;
		// 循环取数据
		while ((length = fr.read(chars)) != -1) {
			// 将读取的内容转换成字符串
			sb.append(chars, 0, length);
		}
		// 关闭流
		fr.close();

		return sb.toString();
	}
}

IO流对象

2.1File类是用来操作文件的类，但它不能操作文件中的数据。

public class File extends Object implements Serializable, Comparable<File>

File类实现了Serializable、 Comparable，说明它是支持序列化和排序的。

File类的构造方法

File类的常用方法

File类使用实例

public class FileTest {
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		File file = new File("C:/Mu/fileTest.txt");

		// 判断文件是否存在
		if (!file.exists()) {
			// 不存在则创建
			file.createNewFile();
		}
		System.out.println("文件的绝对路径：" + file.getAbsolutePath());
		System.out.println("文件的大小：" + file.length());

		// 刪除文件
		file.delete();
	}
}

2.2 字节流

InputStream与OutputStream是两个抽象类，是字节流的基类，所有具体的字节流实现类都是分别继承了这两个类。
以InputStream为例，它继承了Object，实现了Closeable

public abstract class InputStream
extends Object
implements Closeable

InputStream类有很多的实现子类，下面列举了一些比较常用的：

详细说明一下上图中的类：

InputStream：InputStream是所有字节输入流的抽象基类，前面说过抽象类不能被实例化，实际上是作为模板而存在的，为所有实现类定义了处理输入流的方法。
FileInputSream：文件输入流，一个非常重要的字节输入流，用于对文件进行读取操作。
PipedInputStream：管道字节输入流，能实现多线程间的管道通信。
ByteArrayInputStream：字节数组输入流，从字节数组(byte[])中进行以字节为单位的读取，也就是将资源文件都以字节的形式存入到该类中的字节数组中去。
FilterInputStream：装饰者类，具体的装饰者继承该类，这些类都是处理类，作用是对节点类进行封装，实现一些特殊功能。
DataInputStream：数据输入流，它是用来装饰其它输入流，作用是“允许应用程序以与机器无关方式从底层输入流中读取基本 Java 数据类型”。
BufferedInputStream：缓冲流，对节点流进行装饰，内部会有一个缓存区，用来存放字节，每次都是将缓存区存满然后发送，而不是一个字节或两个字节这样发送，效率更高。
ObjectInputStream：对象输入流，用来提供对基本数据或对象的持久存储。通俗点说，也就是能直接传输对象，通常应用在反序列化中。它也是一种处理流，构造器的入参是一个InputStream的实例对象。

OutputStream类继承关系与InputStream类似，需要注意的是PrintStream.

2.3 字符流

与字节流类似，字符流也有两个抽象基类，分别是Reader和Writer。其他的字符流实现类都是继承了这两个类。

以Reader为例，它的主要实现子类如下图：

各个类的详细说明：

1.InputStreamReader：从字节流到字符流的桥梁（InputStreamReader构造器入参是2.FileInputStream的实例对象），它读取字节并使用指定的字符集将其解码为字符。它使用的字符集可以通过名称指定，也可以显式给定，或者可以接受平台的默认字符集。
3,BufferedReader：从字符输入流中读取文本，设置一个缓冲区来提高效率。4.BufferedReader是对InputStreamReader的封装，前者构造器的入参就是后者的一个实例对象。
5.FileReader：用于读取字符文件的便利类，new FileReader(File file)等同于new 6.InputStreamReader(new FileInputStream(file, true),“UTF-8”)，但FileReader不能指定字符编码和默认字节缓冲区大小。
7.PipedReader ：管道字符输入流。实现多线程间的管道通信。
8.CharArrayReader：从Char数组中读取数据的介质流。
9.StringReader ：从String中读取数据的介质流。
10.Writer与Reader结构类似，方向相反，不再赘述。唯一有区别的是，Writer的子类PrintWriter。

3 IO流方法

3.1 字节流方法

字节输入流InputStream主要方法：

1.read() ：从此输入流中读取一个数据字节。
2. read(byte[] b) ：从此输入流中将最多 b.length 个字节的数据读入一个 byte 数组中。
3.read(byte[] b, int off, int len) ：从此输入流中将最多 len 个字节的数据读入一个 byte 数组中。
4.close()：关闭此输入流并释放与该流关联的所有系统资源。

字节输出流OutputStream主要方法：

1.write(byte[] b) ：将 b.length 个字节从指定 byte 数组写入此文件输出流中。
2.write(byte[] b, int off, int len) ：将指定 byte 数组中从偏移量 off 开始的 len 个字节写入此文件输出流。
3.write(int b) ：将指定字节写入此文件输出流。
4.close() ：关闭此输入流并释放与该流关联的所有系统资源。

3.2 字符流方法

字符输入流Reader主要方法：

• read()：读取单个字符。
• read(char[] cbuf) ：将字符读入数组。
• read(char[] cbuf, int off, int len) ： 将字符读入数组的某一部分。
• read(CharBuffer target) ：试图将字符读入指定的字符缓冲区。
• flush() ：刷新该流的缓冲。
• close() ：关闭此流，但要先刷新它。
  字符输出流Writer主要方法：
  1.write(char[] cbuf) ：写入字符数组。
  2.write(char[] cbuf, int off, int len) ：写入字符数组的某一部分。
  3.write(int c) ：写入单个字符。
  4.write(String str) ：写入字符串。
  5.write(String str, int off, int len) ：写入字符串的某一部分。
  6.flush() ：刷新该流的缓冲。
  7.close() ：关闭此流，但要先刷新它。
  另外，字符缓冲流还有两个独特的方法：
• BufferedWriter类newLine() ：写入一个行分隔符。这个方法会自动适配所在系统的行分隔符。
• BufferedReader类readLine() ：读取一个文本行。

缓冲流待续…