Java IO `InputStream` 详解及源码解析

Java的InputStream是所有字节输入流的抽象基类，位于java.io包中，提供了从数据源（如文件、网络连接、内存等）读取字节数据的基本接口。本文将详细解析InputStream的核心概念、常用方法、设计模式及源码实现。

一、核心概念

1. 作用

InputStream是Java IO体系中字节输入流的顶层抽象，定义了读取字节数据的标准方法，所有具体的字节输入流类（如FileInputStream、ByteArrayInputStream、SocketInputStream等）都继承自它。

2. 数据源类型

InputStream的数据源可以是：

• 文件（FileInputStream）
• 内存（ByteArrayInputStream）
• 网络连接（Socket.getInputStream()）
• 管道（PipedInputStream）
• 其他流（如BufferedInputStream包装其他流）

二、常用方法

1. 核心读取方法

// 读取下一个字节（0-255），返回-1表示流结束
public abstract int read() throws IOException;

// 读取数据到字节数组b，返回实际读取的字节数
public int read(byte b[]) throws IOException;

// 读取len个字节到数组b的off位置开始，返回实际读取的字节数
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException;

2. 其他重要方法

// 跳过n个字节，返回实际跳过的字节数
public long skip(long n) throws IOException;

// 返回可以读取的字节数估计值
public int available() throws IOException;

// 关闭流，释放资源
public void close() throws IOException;

// 标记当前位置，配合reset()使用
public synchronized void mark(int readlimit);

// 重置到上次mark()的位置
public synchronized void reset() throws IOException;

// 判断是否支持mark/reset功能
public boolean markSupported();

三、源码解析

1. 抽象方法 read()

public abstract int read() throws IOException;

• 作用：读取下一个字节数据，返回值为0-255的整数，若返回-1表示流结束。
• 实现要求：所有子类必须实现此方法，它是InputStream最核心的方法。

2. 批量读取方法 read(byte[] b)

public int read(byte b[]) throws IOException {
    return read(b, 0, b.length);
}

• 作用：将数据读取到字节数组b中，调用了read(b, 0, b.length)的重载方法。

3. 核心重载方法 read(byte[] b, int off, int len)

public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
    if (b == null) {
        throw new NullPointerException();
    } else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {
        throw new IndexOutOfBoundsException();
    } else if (len == 0) {
        return 0;
    }

    int c = read(); // 调用抽象方法read()
    if (c == -1) {
        return -1;
    }
    b[off] = (byte)c;

    int i = 1;
    try {
        for (; i < len ; i++) {
            c = read(); // 循环调用read()
            if (c == -1) {
                break;
            }
            b[off + i] = (byte)c;
        }
    } catch (IOException ee) {
        // 异常处理
    }
    return i;
}

• 实现逻辑：
  1. 检查参数合法性。
  2. 调用read()读取第一个字节。
  3. 循环调用read()将数据填充到数组b中，直到读取len个字节或流结束。
• 性能问题：直接使用此方法效率较低，因为每次只读取一个字节，建议使用BufferedInputStream包装以提高性能。

4. skip() 方法实现

public long skip(long n) throws IOException {
    long remaining = n;
    int nr;

    if (n <= 0) {
        return 0;
    }

    int size = (int)Math.min(MAX_SKIP_BUFFER_SIZE, remaining);
    byte[] skipBuffer = new byte[size];
    while (remaining > 0) {
        nr = read(skipBuffer, 0, (int)Math.min(size, remaining));
        if (nr < 0) {
            break;
        }
        remaining -= nr;
    }
    return n - remaining;
}

• 实现逻辑：
  1. 创建一个临时缓冲区skipBuffer。
  2. 循环读取数据到缓冲区，直到跳过指定的字节数n。

5. available() 方法

public int available() throws IOException {
    return 0;
}

• 默认实现：返回0，表示无法提前知道可用字节数。
• 子类重写：如FileInputStream会返回文件剩余未读的字节数。

6. close() 方法

public void close() throws IOException {}

• 默认实现：空方法，因为抽象类无需释放资源。
• 子类重写：如FileInputStream会关闭文件句柄，SocketInputStream会关闭网络连接。

四、设计模式

1. 模板方法模式

InputStream定义了核心方法的骨架（如read(byte[])调用read()），具体实现由子类完成，符合模板方法模式。

2. 装饰器模式

FilterInputStream及其子类（如BufferedInputStream、DataInputStream）通过包装其他InputStream实现功能增强，符合装饰器模式。

五、常见子类

1. FileInputStream

从文件读取数据，直接关联底层文件描述符。

2. ByteArrayInputStream

从内存字节数组读取数据，无需进行IO操作，适用于测试和数据处理。

3. BufferedInputStream

通过缓冲区提高读取性能，减少实际IO次数。

4. DataInputStream

用于读取基本数据类型（如int、double），需配合DataOutputStream使用。

5. ObjectInputStream

用于反序列化对象，实现Java对象的持久化。

六、使用示例

1. 读取文件内容

try (InputStream is = new FileInputStream("test.txt")) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = is.read(buffer)) != -1) {
        System.out.write(buffer, 0, bytesRead);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

2. 使用缓冲流提高性能

try (InputStream is = new FileInputStream("test.txt");
     BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(is)) {
    int data;
    while ((data = bis.read()) != -1) {
        // 处理数据
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

七、注意事项

1. 资源管理：InputStream使用完毕后必须调用close()关闭，建议使用try-with-resources语句自动关闭。
2. 性能优化：直接使用read()单字节读取效率低，建议使用BufferedInputStream或批量读取方法。
3. 阻塞特性：传统IO是阻塞的，若需非阻塞IO，可使用java.nio包中的FileChannel或SocketChannel。

总结

InputStream作为Java IO体系的基础组件，定义了字节输入流的标准接口，通过抽象方法和模板模式为子类提供了统一的操作框架。理解其设计思想和源码实现，有助于高效使用各种具体流类，并在需要时自定义扩展。