Java IO `OutputStream` 详解及源码解析

Java的OutputStream是所有字节输出流的抽象基类，位于java.io包中，提供了将字节数据写入目标（如文件、网络连接、内存等）的基本接口。本文将详细解析OutputStream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

OutputStream是Java IO体系中字节输出流的顶层抽象，定义了写入字节数据的标准方法，所有具体的字节输出流类（如FileOutputStream、ByteArrayOutputStream、SocketOutputStream等）都继承自它。

2. 数据目标类型

OutputStream的数据目标可以是：

• 文件（FileOutputStream）
• 内存（ByteArrayOutputStream）
• 网络连接（Socket.getOutputStream()）
• 管道（PipedOutputStream）
• 其他流（如BufferedOutputStream包装其他流）

二、常用方法

1. 核心写入方法

// 写入单个字节（参数为int，但只写入低8位）
public abstract void write(int b) throws IOException;

// 写入整个字节数组
public void write(byte b[]) throws IOException;

// 写入字节数组b的从off位置开始的len个字节
public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException;

2. 其他重要方法

// 刷新缓冲区，确保数据全部写出
public void flush() throws IOException;

// 关闭流，释放资源（关闭前会自动flush）
public void close() throws IOException;

三、源码解析

1. 抽象方法 write(int b)

public abstract void write(int b) throws IOException;

• 作用：写入单个字节数据，参数b是int类型，但实际只写入其低8位（0-255）。
• 实现要求：所有子类必须实现此方法，它是OutputStream最核心的方法。

2. 批量写入方法 write(byte[] b)

public void write(byte b[]) throws IOException {
    write(b, 0, b.length);
}

• 作用：将整个字节数组写入输出流，调用了write(b, 0, b.length)的重载方法。

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

public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {
    if (b == null) {
        throw new NullPointerException();
    } else if ((off < 0) || (off > b.length) || (len < 0) ||
               ((off + len) > b.length) || ((off + len) < 0)) {
        throw new IndexOutOfBoundsException();
    } else if (len == 0) {
        return;
    }
    for (int i = 0 ; i < len ; i++) {
        write(b[off + i]); // 循环调用抽象方法write(int b)
    }
}

• 实现逻辑：
  1. 检查参数合法性。
  2. 循环调用write(int b)方法，逐个写入字节数组中的元素。
• 性能问题：直接使用此方法效率较低，因为每次只写入一个字节，建议使用BufferedOutputStream包装以提高性能。

4. flush() 方法

public void flush() throws IOException {
    // 默认实现为空，因为抽象类无需刷新缓冲区
}

• 作用：确保缓冲区中的数据全部写出到目标。
• 子类重写：如BufferedOutputStream会在此方法中清空内部缓冲区。

5. close() 方法

public void close() throws IOException {
    // 默认实现为空，因为抽象类无需释放资源
}

• 子类重写：如FileOutputStream会关闭文件句柄，SocketOutputStream会关闭网络连接。通常会先调用flush()确保数据写出。

四、设计模式

1. 模板方法模式

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

2. 装饰器模式

FilterOutputStream及其子类（如BufferedOutputStream、DataOutputStream）通过包装其他OutputStream实现功能增强，符合装饰器模式。

五、常见子类

1. FileOutputStream

将数据写入文件，直接关联底层文件描述符。

2. ByteArrayOutputStream

将数据写入内存字节数组，无需进行IO操作，适用于临时数据存储。

3. BufferedOutputStream

通过缓冲区提高写入性能，减少实际IO次数。

4. DataOutputStream

用于写入基本数据类型（如int、double），需配合DataInputStream使用。

5. ObjectOutputStream

用于序列化对象，实现Java对象的持久化。

六、使用示例

1. 写入文件

try (OutputStream os = new FileOutputStream("test.txt")) {
    String data = "Hello, World!";
    os.write(data.getBytes());
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

2. 使用缓冲流提高性能

try (OutputStream os = new FileOutputStream("test.txt");
     BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(os)) {
    String data = "Hello, World!";
    bos.write(data.getBytes());
    bos.flush(); // 确保数据全部写出
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

3. 写入基本数据类型

try (DataOutputStream dos = new DataOutputStream(
         new FileOutputStream("data.dat"))) {
    dos.writeInt(123);
    dos.writeDouble(3.14);
    dos.writeUTF("Hello");
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

七、注意事项

1. 资源管理：OutputStream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. 缓冲区刷新：使用带缓冲的流（如BufferedOutputStream）时，需调用flush()确保数据写出，close()方法会自动调用flush()。
3. 追加模式：FileOutputStream构造函数可传入append参数（如new FileOutputStream("test.txt", true)）以启用追加模式。
4. 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

OutputStream作为Java IO体系的基础组件，定义了字节输出流的标准接口，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。