Java IO

最新推荐文章于 2022-06-05 13:43:34 发布

代老师的编程课

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分类专栏： Java基础 java 源码分析

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江苏无锡缪小东< xmlnamespace prefix ="o" ns ="urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

本篇主要讲述IO相关的内容，主要包括：与IO相关的简单的历史背景知识；Java IO的简单分类；与IO设计相关的两个模式；同时列举几个简单的例子；分析其中几个实现的源代码；最后给大家一些简单扩展的例子。治学先治史，下面我们先从简单的历史开始吧！

一、历史背景

“对语言设计人员来说，创建好的输入／输出系统是一项特别困难的任务。”

――《Think in Java》

无论是系统、还是语言的设计中IO的设计都是异常复杂的。面临的最大的挑战一般是如何覆盖所有可能的因素，我们不仅仅要考虑文件、控制台、网络、内存等不同的种类，而且要处理大量的不同的读取方式，如：顺序读取、随机读取，二进制读取、字符读取，按行读取、按字符读取……

Linux是第一个将设备抽象为文件的操作系统，在Linux中所有的外部设备都可以用读取文件的方法读取，这样编程人员就可以以操作文件的方法操作任何设备。C++在IO方面也做了一些改进――引进了流的概念，我们可以通过cin、cout读写一些对象。Java语言在IO设计方面取得较大的成功，它是完全面向对象的，主要采用装饰器模式避免大量的类，包括了最大的可能性，提供了较好的扩展机制……

“Java库的设计者通过创建大量类来攻克这个难题。事实上，Java的IO系统采用了如此多的类，以致刚开始会产生不知从何处入手的感觉（具有讽刺意味的是，Java的IO设计初衷实际要求避免过多的类）。” 上面一段来自《Think in Java》，确实很多初学者刚刚学习java的IO时会比较茫然，不过等我们知道装饰器模式（Decorator）的用意、场景及其在Java的IO包中的使用，你可能会真正领会整个IO的FrameWork。

二、IO的分类

Java IO一般包含两个部分：1.java.io包中堵塞型IO；2.java.nio包中的非堵塞型IO，通常称为New IO。学过操作系统的朋友都知道系统运行的瓶颈一般在于IO操作，一般打开某个IO通道需要大量的时间，同时端口中不一定就有足够的数据，这样read方法就一直等待读取此端口的内容，从而浪费大量的系统资源。有人也许会提出使用java的多线程技术啊！但是在当前进程中创建线程也是要花费一定的时间和系统资源的，因此不一定可取。Java New IO的非堵塞技术主要采用了Observer模式，就是有一个具体的观察者和＝监测IO端口，如果有数据进入就会立即通知相应的应用程序。这样我们就避免建立多个线程，同时也避免了read等待的时间。不过本篇主要讲述java的堵塞型IO，就是我们通常应用的那个包。

打开你的java.io包你可以看到Java的IO包含大量的类和接口（JDK1.6中包含83个类或者接口），如此众多的类和接口似乎无从下手。下面就将IO简单地分类。Java的IO主要包含三个部分：1.流式部分――IO的主体部分；2.非流式部分――主要包含一些辅助流式部分的类，如：File类、RandomAccessFile类和FileDescriptor等类；3.文件读取部分的与安全相关的类，如：SerializablePermission类。以及与本地操作系统相关的文件系统的类，如：FileSystem类和Win32FileSystem类和WinNTFileSystem类。

流式部分可以概括为：两个对应一个桥梁。两个对应指：1.字节流（Byte Stream）和字符流（Char Stream）的对应；2.输入和输出的对应。一个桥梁指：从字节流到字符流的桥梁。对应于输入和输出为InputStreamReader和OutputStreamWriter。

在流的具体类中又可以具体分为：1.介质流（Media Stream或者称为原始流Raw Stream）――主要指一些基本的流，他们主要是从具体的介质上，如：文件、内存缓冲区（Byte数组、Char数组、StringBuffer对象）等，读取数据；2.过滤流（Filter Stream）――主要指所有FilterInputStream/FilterOutputStream和FilterReader/FilterWriter的子类，主要是对其包装的类进行某些特定的处理，如：缓存等。

三、IO中的流

流具有最基本的特点：“One dimension , one direction .” 即流是一维的，同时流是单向的。关于维和我们通常说的一维长度，二维平面，三维空间，四维时空……是同一个概念，流就是一维的。单向就是只可以一个方向（按顺序从头至尾依次）读取，不可以读到某个位置，再返回前面某个位置。流的概念和实际水流的概念基本一致，水只可以从高向低一个方向流动。我们某时在目地喝了一口水，下次在同一个地点喝水已经不是当时的那片水了。

流的这种特性在JMS（Java Message Service）的API设计中得到了体现。JMS是J2EE平台下面向消息中间件的一个标准。（关于中间件技术有机会和大家探讨）JMS中有五种具体类型的消息，这些消息一般分为两类：1.流式的消息――包含ByteMessage和StreamMessage；2.非流式的消息――包含TextMessage、ObjectMessage和MapMessage。我们在明白IO中流的特点后，基本可以明白JMS API设计者的意图。

可能有些场合我们需要在文件中随机插入数据、在流中来来回回地执行某些操作，这时候我们绝对不可以使用流相关的对象。很幸运JDK的设计者为我们设计了一个单独的类RandomAccessFile，它可以完成打开、关闭文件、以基本数据类型的方式读取数据、读取下一个行、以UTF等格式读取数据、写入各种类型的数据、比较特殊的是他可以通过文件指针的seek方法让文件指针移到某个位置，可以通过getFilePointer()方法得到当前指针的位置、可以通过length（）方法得到当前文件的容量、通过getFD()得到FileDescriptor对象，通过getChannel()方法得到FileChannel对象，从而和New IO整合。

下面比较简单的分析IO中的各个对象吧！

3.1 IO中的输入字节流

下面是IO中输入字节流的继承图。

o InputStream

o ByteArrayInputStream

o FileInputStream

o FilterInputStream

o BufferedInputStream

o DataInputStream

o LineNumberInputStream

o PushbackInputStream

o ObjectInputStream

o PipedInputStream

o SequenceInputStream

o StringBufferInputStream

在上面的关系图中可以看出：1.InputStream是所有的输入字节流的父类，它是一个抽象类。2. ByteArrayInputStream、StringBufferInputStream、FileInputStream是三种基本的介质流，它们分别将Byte数组、StringBuffer、和本地文件中读取数据。PipedInputStream是从与其它线程共用的管道中读取数据，与Piped相关的知识会用专门的一小节讲解。3. ObjectInputStream和所有FilterInputStream的子类都是装饰流（装饰器模式的主角）。下表列出了这些流的功能及如何使用它们（具体使用在讲解完装饰器模式后会举几个例子）。

基本输入字节流：

类	功能	如何构造
		怎样使用
ByteArrayInputStream	将内存中的Byte数组适配为一个InputStream。	从内存中的Byte数组创建该对象（2种方法）
		一般作为数据源，会使用其它装饰流提供额外的功能，一般都建议加个缓冲功能。
StringBufferInputStream	将内存中的字符串适配为一个InputStream。	从一个String对象创建该对象。底层的实现使用StringBuffer。该类被Deprecated。主要原因是StringBuffer不应该属于字节流，所以推荐使用StringReader。
		一般作为数据源，同样会使用其它装饰器提供额外的功能。
FileInputStream	最基本的文件输入流。主要用于从文件中读取信息。	通过一个代表文件路径的String、File对象或者FileDescriptor对象创建。
		一般作为数据源，同样会使用其它装饰器提供额外的功能。
PipedInputStream	读取从对应PipedOutputStream写入的数据。在流中实现了管道的概念。	利用对应的PipedOutputStream创建。
		在多线程程序中作为数据源，同样会使用其它装饰器提供额外的功能。
SequenceInputStream	将2个或者多个InputStream 对象转变为一个InputStream.	使用两个InputStream 或者内部对象为InputStream 的Enumeration对象创建该对象。
		一般作为数据源，同样会使用其它装饰器提供额外的功能。
FilterInputStream	给其它被装饰对象提供额外功能的抽象类	主要子类见下表

装饰、输入字节流：

类	功能	如何构造
		怎样使用
DataInputStream	一般和DataOutputStream配对使用,完成基本数据类型的读写。	利用一个InputStream构造。
		提供了大量的读取基本数据类新的读取方法。
BufferedInputStream	使用该对象阻止每次读取一个字节都会频繁操作IO。将字节读取一个缓存区，从缓存区读取。	利用一个InputStream、或者带上一个自定义的缓存区的大小构造。
		使用InputStream的方法读取，只是背后多一个缓存的功能。设计模式中透明装饰器的应用。
LineNumberInputStream	跟踪输入流中的行号。可以调用getLineNumber( )和setLineNumber(int)方法得到和设置行号。	利用一个InputStream构造。
		紧紧增加一个行号。可以象使用其它InputStream一样使用。
PushbackInputStream	可以在读取最后一个byte 后将其放回到缓存中。	利用一个InputStream构造。
		一般仅仅会在设计compiler的scanner 时会用到这个类。在我们的java语言的编译器中使用它。很多程序员可能一辈子都不需要。

3.2 IO中的输出字节流

下面是IO中输出字节流的继承图。

- OutputStream

- - ByteArrayOutputStream
  - FileOutputStream
  - FilterOutputStream

- - - BufferedOutputStream
    - DataOutputStream
    - PrintStream
  - ObjectOutputStream
  - PipedOutputStream

在上面的关系图中可以看出：1.OutputStream是所有的输出字节流的父类，它是一个抽象类。2. ByteArrayOutputStream、FileOutputStream是两种基本的介质流，它们分别向Byte数组、和本地文件中写入数据。PipedOutputStream是向与其它线程共用的管道中写入数据， 3. ObjectOutputStream和所有FilterOutputStream的子类都是装饰流。下表列出了输出字节流的功能及如何使用它们。

类	功能	如何构造
		怎样使用
ByteArrayOutputStream	在内存中创建一个buffer。所有写入此流中的数据都被放入到此buffer中。	无参或者使用一个可选的初始化buffer的大小的参数构造。
		一般将其和FilterOutputStream套接得到额外的功能。建议首先和BufferedOutputStream套接实现缓冲功能。通过toByteArray方法可以得到流中的数据。（不通明装饰器的用法）
FileOutputStream	将信息写入文件中。	使用代表文件路径的String、File对象或者 FileDescriptor对象创建。还可以加一个代表写入的方式是否为append的标记。
		一般将其和FilterOutputStream套接得到额外的功能。
PipedOutputStream	任何写入此对象的信息都被放入对应PipedInputStream 对象的缓存中，从而完成线程的通信，实现了“管道”的概念。具体在后面详细讲解。	利用PipedInputStream构造
		在多线程程序中数据的目的地的。一般将其和FilterOutputStream套接得到额外的功能。
FilterOutputStream	实现装饰器功能的抽象类。为其它OutputStream对象增加额外的功能。	见下表
		见下表

装饰输出字节流：

类	功能	如何构造
		怎样使用
DataOutputStream	通常和DataInputStream配合使用，使用它可以写入基本数据类新。	使用OutputStream构造
		包含大量的写入基本数据类型的方法。
PrintStream	产生具有格式的输出信息。（一般地在java程序中DataOutputStream用于数据的存储，即J2EE中持久层完成的功能，PrintStream完成显示的功能，类似于J2EE中表现层的功能）	使用OutputStream和一个可选的表示缓存是否在每次换行时是否flush的标记构造。还提供很多和文件相关的构造方法。
		一般是一个终极（“final”）的包装器，很多时候我们都使用它！
BufferedOutputStream	使用它可以避免频繁地向IO写入数据，数据一般都写入一个缓存区，在调用flush方法后会清空缓存、一次完成数据的写入。	从一个OutputStream或者和一个代表缓存区大小的可选参数构造。
		提供和其它OutputStream一致的接口，只是内部提供一个缓存的功能。

3.3字节流的输入与输出的对应

在3.1节讲过输入与输出的对应，下图表示字节流部分的输入与输出的对应关系。

上图中蓝色的为主要的对应部分，红色的部分就是不对应部分。我习惯上称之为“不入流”部分。紫色的虚线部分代表这些流一般要搭配使用。从上面的图中可以看出Java IO中的字节流是极其对称的。

“存在及合理”我们看看这些字节流中不太对称的几个类吧！

1. LineNumberInputStream主要完成从流中读取数据时，会得到相应的行号，至于什么时候分行、在哪里分行是由改类主动确定的，并不是在原始中有这样一个行号。在输出部分没有对应的部分，我们完全可以自己建立一个LineNumberOutputStream，在最初写入时会有一个基准的行号，以后每次遇到换行时会在下一行添加一个行号，看起来也是可以的。好像更不入流了。

2. PushbackInputStream的功能是查看最后一个字节，不满意就放入缓冲区。主要用在编译器的语法、词法分析部分。输出部分的BufferedOutputStream几乎实现相近的功能。

3. StringBufferInputStream已经被Deprecated，本身就不应该出现在InputStream部分，主要因为String应该属于字符流的范围。已经被废弃了，当然输出部分也没有必要需要它了！还允许它存在只是为了保持版本的向下兼容而已。

4. SequenceInputStream可以认为是一个工具类，将两个或者多个输入流当成一个输入流依次读取。完全可以从IO包中去除，还完全不影响IO包的结构，却让其更“纯洁”――纯洁的Decorator模式。

5. PrintStream也可以认为是一个辅助工具。主要可以向其他输出流，或者FileInputStream写入数据，本身内部实现还是带缓冲的。本质上是对其它流的综合运用的一个工具而已。一样可以踢出IO包！System.out和System.out就是PrintStream的实例！

蓝色的部分是IO字节流的主要组成部分，存在极强的对称关系。关于搭配使用的三对类补充一下：ObjectInputStream/ObjectOutputStream和DataInputStream/DataOutputStream主要是要求写对象/数据和读对象/数据的次序要保持一致，否则轻则不能得到正确的数据，重则抛出异常(一般会如此)；PipedInputStream/PipedOutputStream在创建时一般就一起创建，调用它们的读写方法时会检查对方是否存在，或者关闭！道理极其简单――对方都不在了，怎么交互啊！

3.4 字节流与字符流

从上面我们可以看出IO中的字节流是极其复杂的，存在大量的类，到目前为止还没有真正使用它们，使用它们应该也是极其复杂的吧！JDK1.1后Sun对IO库进行了重大的改进。看到Reader和Writer类时，大多数人的第一个感觉（不要太相信感觉哦！感觉也许会欺骗你的！）就是它们是用来替换原来的InputStream和OutputStream类。有新的类，干吗还使用旧的呢！？但实情并非如此。尽管Sun不建议使用原始的流库中的某些功能，但原来的流依然得到了保留，不仅为了保持向后兼容，主要原因是新库不是旧库的替代，而是对旧库的增强。从以下两点可以明显地看出：

(1) 在老式的类层次结构里加入了新的类，这表明 Sun公司没有放弃老式流库的意图。

(2) 在许多情况下，新库中类的使用需要联合老结构中的类。为达到这个目的，需要使用一些“桥”类，如：InputStreamReader将一个InputStream转换成Reader；OutputStreamWriter将一个OutputStream转换成Writer。

那么Sun为什么在Java 1.1里添加了Reader和Writer层次，最重要的原因便是国际化（Internationalization――i18n）的需求。老式IO流层次结构只支持8位字节流，不能很好地控制16位的Unicode字符。Java本身支持Unicode，Sun又一致吹嘘其支持Unicode，因此有必要实现一个支持Unicode的流的层次结构，所以出现了Reader和Writer层次，以提供对所有IO操作中的Unicode的支持。除此之外，新库也对速度进行了优化，可比旧库更快地运行。

8位的字节流和16位的字符流的对应关系，可以从ByteInputStream/ByteOutputStream与CharArrayInputStream/CharArrayOutputStream的对应关系中看出端倪。（还没看出来啊！赶紧去看看Java的基本数据类型）。

因此在Java的IO体系中存在字节流和字符流的对应关系。下面就看看字符流吧！

3.5 IO中的输入字符流

下面是IO中输入字符流的继承图。

- Reader

- - BufferedReader

- - - LineNumberReader
  - CharArrayReader
  - FilterReader
    - PushbackReader
  - InputStreamReader
    - FileReader
  - PipedReader
  - StringReader

在上面的关系图中可以看出：1.Reader是所有的输入字符流的父类，它是一个抽象类。2.CharReader、StringReader是两种基本的介质流，它们分别将Char数组、String中读取数据。PipedReader是从与其它线程共用的管道中读取数据。3. BufferedReader很明显就是一个装饰器，它和其子类负责装饰其它Reader对象。4.FilterReader是所有自定义具体装饰流的父类，其子类PushbackReader对Reader对象进行装饰，会增加一个行号。5.InputStreamReader是一个连接字节流和字符流的桥梁，它将字节流转变为字符流。FileReader可以说是一个达到此功能、常用的工具类，在其源代码中明显使用了将FileInputStream转变为Reader的方法。我们可以从这个类中得到一定的技巧。

Reader中各个类的用途和使用方法基本和InputStream中的类使用一致。后面会有Reader与InputStream的对应关系。

3.6 IO中的输出字符流

下面是IO中输出字符流的继承图。

- Writer

- - BufferedWriter
  - CharArrayWriter
  - FilterWriter
  - OutputStreamWriter

- - - FileWriter
  - PipedWriter
  - PrintWriter
  - StringWriter

在上面的关系图中可以看出：1.Writer是所有的输出字符流的父类，它是一个抽象类。2. CharArrayWriter、StringWriter是两种基本的介质流，它们分别向Char数组、String中写入数据。PipedWriter是向与其它线程共用的管道中写入数据， 3. BufferedWriter是一个装饰器为Writer提供缓冲功能。4.PrintWriter和PrintStream极其类似，功能和使用也非常相似。5.OutputStreamWriter是OutputStream到Writer转换的桥梁，它的子类FileWriter其实就是一个实现此功能的具体类（具体可以研究一下Source Code）。功能和使用和OutputStream极其类似，后面会有它们的对应图。