java基础---I/O流_java中由流控制状态变化-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/tiger_root/article/details/126129055

本文详细介绍了Java中的输入输出流，包括流的概念、分类以及BIO、NIO、AIO的区别。Java IO流采用装饰模式，提供了一种灵活的方式来扩展流的功能，如缓冲、字符编码等。同时，文章通过示例展示了装饰模式在IO流中的应用，解释了如何通过装饰器动态添加功能而不改变原有结构。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

输入输出应用编程

Input/Output：指跨越出了JVM的边界，与外界数据的源头或者目标数据源进行数据交换

Java程序会从各种地方输入数据，比如文件，磁盘，网络，其他程序中
Java会采用不同的方式输出执行结果，比如屏幕、文件、磁盘、网络等

输入/输出是针对JVM而言

输入输出中的流模型

在Java程序中，对于数据的输入输出操作以流Stream方式进行，JavaSE提供各种各样的类用于使用相同的方法获取不同类型的数据，程序中通过标准的方法输入或者输出数据

流是处理输入/输出的一个洁净的方法，它不需要代码理解键盘和网络的不同。Java中流的实现是基于java.io包定义的类层次结构的

流概念

        java.io包通过数据流、序列化和文件系统为用户提供一种完成I/O操作的输入/输出流

        数据流是指所有的数据通信通道

        流是字节或字符数据的数据源或目的，用以隐藏数据传输细节，可以从流读取数据或将数据写到流

        Java程序不能直接操纵I/O设备，而是在程序和设备之间加入了一个中间介质，这就是流。IO输入输出通常指数据在内部存储器和外部存储器或其它周边设备之间的输入输出

        流是数据传输的抽象表达，与具体设备无关。程序一旦建立了流，就可以不用理会起点或终点是何种设备

                建立流实际上就是建立数据传输通道，将起点和终点连接起来

        Java程序通过流来完成输入/输出，它是生产或消费信息的抽象

1、流通过Java的输入/输出系统与物理设备链接。尽管与它们链接的物理设备不尽相同，但是所有流的行为具有同样的方式

2、相同的输入/输出类和方法适用于所有类型的外部设备。这意味着一个输入流能够抽象多种不同类型的输入，从磁盘文件，从键盘或从网络套接字获取输入，一个输出流可以输出到控制台，磁盘文件或相连的网络。流是处理输入/输出的一个洁净的方法，它不需要代码理解键盘和网络的不同。

流的分类

从Java不同版本来说，流可以分为BIO、NIO、AIO三大类。Java中的BIO、NIO、AIO可以理解为是java语言对操作系统的各种IO模型的封装。在使用这些API时，不需要关心操作系统层面的知识，也不需要根据不同操作系统编写不同的代码。只需使用java的API就可以了

BIO即同步阻塞I/O模式，数据的读取写入必须阻塞在一个线程内等待其完成。
NIO即同步非阻塞，一个线程不断的轮询每个输入输出的状态改变，如果有状态发生了改变，则进行下一步的操作。
AIO即异步非阻塞I/O模型，无需一个线程去轮询所有IO操作的状态改变，在相应的状态改变后，系统会通知对应的线程来处理。

同步/异步关注的是消息通信机制。

同步Synchronous是指发起一个调用后，调用方必须等待此调用返回结果后才能继续执行。
异步Asynchronous是指发起一个调用后，调用方可继续执行后续操作，被调用者执行结束主动给调用方返回结果。
阻塞/非阻塞关注的是程序在等待调用结果时的状态，区别在于第一步发起 IO 请求后是否会被阻塞。

阻塞是指调用结果返回前，当前线程会被挂起，调用线程只有在得到结果之后才返回。
非阻塞是指在调用结果返回前，不影响当前线程执行其他操作，也就是不会阻塞当前线程。
BIO是一种同步阻塞的通信模式，是一个比较传统的通信方式，模式简单、使用方便，但并发处理能力低，通信耗时，依赖网速。

NIO(Non-Bock) IO 是一种同步非阻塞的通信模式，针对网络传输效能优化的新功能。

AIO(Asynchronous IO)是一种异步非阻塞的通信模式。

同步阻塞的工作模式是先来到厨房，开始烧水，并在水壶旁等待直到水开了为止
同步非阻塞的工作模式是指来到厨房，开始烧水，这次不在水壶旁等着，回到客厅看电视，每隔几分钟去检查水是否烧开了
异步非阻塞的工作模式是指来到厨房，开始烧水，回到客厅看电视，直到听到水烧开后水壶的提示音。
同步vs异步：指的是被调用方以何种方式返回调用结果？（我们如何知道水壶中的水烧开了，是主动发现还是水壶被动提醒）

阻塞vs非阻塞：指的是调用方在调用后的状态是否是阻塞？（我们把水壶烧水开关打开后，我们是否在水壶旁等待水烧开）

适用场景

BIO适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解
NIO适用于连接数目比较多且连接比较短的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4开始支持
AIO方式适用于连接数目多且连接比较长的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。
按流向分为输入流和输出流，可以从输入流读取数据但不能写，要从输入流读取数据，则必须有一个与这个流相关的字符源
按传输单位分为字节流和字符流
1、Java具备平台无关性，这里的字节是指8位，字符是16位

2、字节流从InputStream/OutputStream派生出来，以字节为基本处理单位，一般用于操作二进制数据，字节次序是有意义的

3、字符流从Reader/Writer派生出来的，以16位的Unicode码表示字符为基本处理单位，一般用于操作字符数据

4、使用桥接流可以实现两个流之间的转换

按功能还可以分为节点流和过滤流
1、节点流：负责数据源和程序之间建立连接，结点流对特定的地方读写

2、过滤流：用于给节点增加功能，过滤流使用结点流进行输入/输出并添加附加功能

过滤流的构造方式是以其他流位参数构造（这样的设计模式称为装饰模式）。Java的IO流使用装饰器模式，将IO流分成底层节点流和上层处理流。其中节点流用于和底层的物理存储节点直接关联。过滤流是连接在已存在的流之上，通过对数据的处理为程序提供更为强大的读写功能。

注意：I/O流是一类很宝贵的资源，使用完后必须调用close()方法关闭流并释放资源。在关闭流时只用关闭最外层的流

字符流就是字节流读取文字字节数据后，不直接操作而是先查指定的编码表以获取对应的文字。简单的说：字符流 = 字节流 + 编码表

字符流的两个顶层父类：Reader和Writer
字节流的两个顶层父类：InputStream和OutputStream
输入输出靠reader和writer, inputstream和outputstream四个类和子类支持
读入的内容有对象，字符，图像和声音等

Java输入输入靠reader、writer、InputStream、OutputStream四个类和子类支持。JDK的I/O包中使用Decorator模式，并运用此模式，实现一个新的输出流类

扩展类的功能

扩展一个类功能的最简单的方式就是继承

继承

public interface IShape {

void draw();

}

需要追加功能的类实现

public class Circle implements IShape {

        @Override

        public void draw() {

                System.out.println("我画一个圆");

        }

}

通过继承添加子类用于追加功能

public class CircleExtends extends Circle {

        @Override

        public void draw() {

                System.out.println("我使用红色"); // 追加的功能

                super.draw(); //调用父类中被覆盖的方法

                System.out.println("我收齐图片")； // 追加的功能

        }

}

测试程序

IShape s1=new CircleExtends();

s1.draw();

最大的问题是耦合

装饰模式

装饰器模式Decorator Pattern允许向一个现有的对象添加新的功能，同时又不改变其结构。这种类型的设计模式属于结构型模式，它是作为现有的类的一个包装。

意图：动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能来说，装饰器模式相比生成子类更为灵活
主要解决：一般的为了扩展一个类经常使用继承方式实现，由于继承为类引入静态特征，并且随着扩展功能的增多，子类会很膨胀
优点：装饰类和被装饰类可以独立发展，不会相互耦合，装饰模式是继承的一个替代模式，装饰模式可以动态扩展一个实现类的功能
缺点：多层装饰比较复杂
使用场景： 1、扩展一个类的功能。 2、动态增加功能，动态撤销。
注意事项：可代替继承。

要求：

被装饰方(多个)有个抽象角色---接口、抽象类
装饰方实现接口（继承抽象类），并将装饰方定义为属性
Decorator模式又名包装器Wrapper，它的主要用途在于给一个对象动态的添加一些额外的职责。与生成子类相比，它更具有灵活性

装饰器模式中的四种角色：被装饰对象、装饰对象、装饰器Decorator、公共接口或抽象类

package com.yan2;

/*
 * 装饰器模式（Decorator Pattern）允许向一个现有的对象添加新的功能，同时又不改变
 * 其结构。这种类型的设计模式属于结构型模式，它是作为现有的类的一个包装。
 * 
 * 意图：动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能来说，装饰器模式相比生成子类更为灵活。
 * 
 * 优点：装饰类和被装饰类可以独立发展，不会相互耦合，装饰模式是继承的一个替代模式，装饰模式
 * 可以动态扩展一个实现类的功能。
 * 
 * 缺点：多层装饰比较复杂。
 * 
 * 装饰器模式中的四种角色：被装饰对象、装饰对象、装饰器Decorator、公共接口或抽象类
 */
public class Test2 {
	public static void main(String[] args) {
//		IShape s1 = new Circle(10);//实际工作的对象，就是被装饰的对象
		IShape s1 = new Rect(10, 20);
		IShape s2 = new Red(s1);// 装饰对象
		s2.draw();

	}
}

//公共接口
interface IShape {
	void draw();
}

//被装饰类
class Circle implements IShape {
	private double r;

	public Circle(double r) {
		this.r = r;
	}

	@Override
	public void draw() {
		System.out.println("绘制一个半径为" + r + "的圆");
	}
}

//被装饰类
class Rect implements IShape {
	private double width, high;

	public Rect(double width, double high) {
		this.width = width;
		this.high = high;
	}

	@Override
	public void draw() {
		System.out.println("绘制一个长为：" + high + "宽为：" + width);
	}
}

//装饰器Decorator
abstract class Decorator implements IShape {
	private IShape shape;// 被装饰对象

	public Decorator(IShape shape) {
		this.shape = shape;
	}

	public void draw() {
		shape.draw();
	}
}

//装饰类
class Red extends Decorator {
	public Red(IShape shape) {
		super(shape);
	}

	@Override
	public void draw() {
		System.out.println("准备红色");
		super.draw();
		System.out.println("恢复系统默认的颜色");
	}
}

在IO流定义中使用装饰模式

Java.io包中大量的使用了设计模式中的装饰模式decorator和适配器模式adapter，使IO库具有很强的对称性和可扩展性，对称性表现在I/O的对称和byte/char流的对称上。

抽象角色

public abstract class InputStream implements Closeable{

public abstract int read() throws IOException;

}

这里节点流就是这个抽象角色的具体实现，例如FileInputStream

装饰(抽象)角色用于通过继承定义过滤流

public class FilterInputStream extends InputStream{

        protected volatile InputStream in;

        protected FilterInputStream(InputStream in){

                this.in=in;

        }

        public int read()throws IOException{

                return in.read();

        }

}

装饰的具体角色真正添加功能，例如BufferedInputStream就是给节点流上添加缓存

public class BufferedInputStream extends FilterInputStream{

        public BufferedInputStream(InputStream in){

                this(in, DEFAULT_BUFFER_SIZE);

        }

        public synchronized int read() throws IOException{

                if(pos>=count) ...