【学习笔记】Java 输入输出

Java 输入与输出

流（IO）

“流”（Stream）是Java对输入输出源的一种抽象，表示了一种逐一读取或写出的处理方式。

• 输入流、输出流：通常以程序运行所在内存来区分
• 字节流、字符流：所操作的数据单元不同
• 节点流、处理流：直接关联IO设备的流称为节点流，而在节点流的基础上封装各种各样的处理方式后的流称为处理流，代码中表现为以节点流为构造器参数。处理流使得程序可以使用相同的代码来处理不同的数据源。

分类	字节输入流	字节输出流	字符输入流	字符输出流
抽象基类	InputStream	OutputStream	Reader	Writer
抽象基类	Filter~	Filter~	Filter~	Filter~
访问文件	File~	File~	File~	File~
访问数组	ByteArray~	ByteArray~	CharArray~	CharArray~
访问管道	Piped~	Piped~	Piped~	Piped~
访问字符串			String~	String~
缓冲流	Buffered~	Buffered~	Buffered~	Buffered~
转换流			InputStream~	OutputStream~
对象流	Object~	Object~
打印流		PrintStream		PrintWriter
推回输入流	PushBack~
特殊流	Data~	Data~

基类类的通用方法

• InputStream/Reader

  • int read()

  • int read(byte[]/char[] buf)

  • int read(byte[]/char[] buf, int off, int len)

    InputStream is = ...
    length = ...
    byte[] buf = new byte[length];
    for (int hasRead = 0; (hasRead = is.read(buf)) > 0; ) {
        <处理 buf 的 从 0 开始 hasRead 长度的数据> 
    }
    

  • void mark(int readlimit)

  • void reset()

  • long skip(long n)

• OutputStream/Writer

  • void write(int c)
  • void write(byte[]/char[] buf)
  • void write(byte[]/char[] buf, int off, int len)
  • void write(String str) 限于 Writer
  • void write(String str, int off, int len) 限于 Writer

常用的节点流

• 访问字符串：String~

• 访问字符字节数组：ByteArray~/CharArray~

• 访问文件对象：File~

  File 对象

  • 构造函数
    • File(String pathname)
    • File(String parent, String child)
    • File(File parent, String child)
    • File(URI uri)
      根据路径字符串创建File对象，可以包含.和..表示当前和上级，也可以传入相对路径，参考是系统属性user.dir（jvm工作路径）。不要以空字符""来创建对象
  • 常用函数

    • String getName()

    • String getPath()

    • String getAbsolutePath() or File getAbsoluteFile()

    • String getCanonicalPath() or File getCanonicalFile()

      Canonical 具有唯一性，是绝对路径，且消除了路径中的.和..

    • String getParent() or File getParentFile()

    • boolean exists()

    • boolean canWrite()

    • boolean canRead()

    • boolean isFile()

    • boolean isDirectory()

    • boolean isAbsolute()

    • long length()

    • long lastModified()

    • boolean createNewFile()

    • boolean mkdir()

    • boolean delete()

    • String[] list() or String[] list(FilenameFilter filter)

      FilenameFilter 接口包含一个boolean accept(File dir, String name)

    • File[] listFiles() or File[] listFiles(FileFilter filter)

      FileFilter接口包含一个boolean accept(File file)

    • void deleteOnExit()

• 转换流：InputStreamReader OutputStreamWriter

  • 以字节流为构造参数，默认使用平台编码，也可以指定编码集
  • 自身可以作为参数去构造其他处理流

常用的处理流

处理流要继承 Filer~ 基类

• 缓冲流：Buffered~ 提供缓冲功能
  • 输出基类中的 flush() 方法不做任何处理，缓冲流重写了该方法，用于刷新缓冲区
  • BufferedReader 实例的 readLine() 用于读取一个文本行
  • BufferedWriter 实例的 newLine() 用于输出一个行分隔符
• 打印流：PrintStream / PrintWriter 提供与打印相关的方法，比如向屏幕打印等
  • 略
• 数据流：Data~ 提供了解析二进制数据的方法，比如可以直接获取读或写一个 int 等
  • 略

标准输入输出流

• System.in：默认为键盘输入
• System.err / System.out：默认为屏幕输出，即控制台输出

System 的静态方法可以重定向：

• static void setErr(PrintStream err)
• static void setIn(InputStream in)
• sattic void setOut(PrintStream out)

子进程（Process 对象）的输入输出：

• InputStream getErrorStream() 获取子进程的错误输出流，对主进程是输入
• InputStream getInputStream() 获取子进程的输出流，对主进程是输入
• OutputStream getOutputStream() 获取子进程的输入流，对主进程是输出

RandomAccessFile

随机访问文件内容。与流相比，不是逐一读写，而是将文件内容放入内存，任意定位指针的访问方式。该类实现了DataInput、DataOutput 接口，所以可以像数据流那样，实现底层二进制数据和Java类型的交互。

• 添加了定位指针的方法：

  • long getFilePointer()

  • void seek(long pos)

• 创建该对象是可以指定文件访问模式，"r"只读"rw"读写

• 写数据的时候是以覆盖的形式写入的。

Scanner

基于正则表达式的字符扫描解析器，可以以字符串、文件、输入流等源作为构造参数创建（二进制源需要指定编码），功能上和 DataInputStream 非常相似，不同的是 DataInputStream 解析的是二进制数据，且不需要扫描，比如要读一个 int 就直接解析当前的4个字节的数据；而 Scanner 每次扫描一个字符，碰到分割符进行解析，比如 "... 1234 34 ..." 将分割出 1234 和 34 进行解析。

• boolean hasNextXxx()
• Xxx nextXxx()

对象序列化

程序中，Java类对象是和运行环境绑定在一起的，运行环境包含了类的信息和运行基础等，可以操纵类对象。对象的序列化实现了对象自身数据的存储，脱离了运行环境而独立存在。

• 远程方法调用
• 停机配置还原
• …

序列化的一般流程

• 实现 Serializable 标记接口
• ObjectOutputStream 实例的 writeObject(Object obj) 完成序列化
• ObjectInputStream 实例的 readObject() 并强制类型转换，完成反序列化

深入理解序列化原理

• 本质上是对对象属性的记录，并没有保存程序运行所必须的类信息，所以反序列化时需要提供对应的类文件

• 对象的引用属性对象也必须是可序列化的类型

• 可以一次性序列化多个对象，反序列化时按照顺序读取

• 为了避免重复序列化一个对象，已序列化的对象都有一个序列化编号来标示内存中的对象。这样，反序列化后，原先指向同一个对象的两个引用，现在还是指向同一个对象。

  陷阱：序列化过程中如果对象在序列化之后发生变化，这种变化将不可能被保存，即使是再次序列化

• transient 修饰的实例变量不会被序列化，反序列化时的值为对象默认值

• private static final long serialVersionUID 用于控制类文件的版本

自定义序列化

需要添加额外的特殊方法来完成自定义过程：

• private void writeObject(ObjectOutputStream out) throws IOException

  自定义序列化的过程，可以对属性进行加密，或者决定那些属性被序列化

• private void readObject(ObjectInputStream in) throws IOException, ClassNotFoundException

  自定义反序列化的过程，根据上面的方法按顺序进行解密等处理

• private void readObjectNoData() throws ObjectStreamException

  当数据异常，调用该方法初始化对象

• private/protected Object writeReplace() throws ObjectStreamException

  序列化过程中，完全替换当前对象，程序将序列化该方法返回值

• private/protected Object readResolve() throws ObjectStreamException

  反序列化过程中，完全替换当前对象，程序将返回该方法的返回值（主要用于枚举类的反序列化）

实现 Externalizable 接口，不同之处在与该接口是非标记的接口，需要实现两个方法和提供无参数的构造器：

• void writeObject(ObjectOutput out) throws IOException
• void readExternal(ObjectInput in) throws IOException, ClassNotFoundException

块（NIO）

“块”也是一种抽象，代表了一次性处理一块数据的处理方式，所以比“流”的处理效率更高。底层采用内存映射的方式处理输入输出。

这种处理方式是双向的

Buffer

代表内存中一段缓冲区，也就是那个“块”，程序和 Channel 都是通过访问缓冲区来实现输入输出。

Buffer 分为两个状态，IN 状态和 OUT 状态，对应图中的箭头方向。访问 Buffer 一般遵循以下四个步骤：

1. 写入数据到 Buffer
2. 调用 void flip() 进入 OUT 状态
3. 从 Buffer 中读取数据
4. 调用 void clear() 方法或者 void compact() 方法进入 IN 状态

基本数据类型都有相对应的 Buffer 实现类，常用的 Buffer 实现类是 ByteBuffer。需要调用实现类的静态方法 static XxxBuffer allocate(int capacity)得到一个 Buffer 对象。每一个实现类都添加了 get() 和 put() 方法类实现程序对缓冲区的写入和读取：

• Xxx get()
• Xxx get(int a)（绝对）
• XxxBuffer get(Xxx[] dst)
• XxxBuffer get(Xxx[] dst, int off, int length)
• XxxBuffer put(Xxx xxx)
• XxxBuffer put(int a, Xxx xxx)（绝对）
• XxxBuffer put(Xxx[] dst)
• XxxBuffer put(Xxx[] dst, int off, int length)

其他常用的方法有：

• int capacity()
• boolean hasRemaining()
• int limit()
• Buffer limit(int newlt)
• Buffer mark()
• int position()
• Buffer position(int newps)
• int remaining()
• Buffer reset()
• Buffer rewind()
• static ByteBuffer allocateDirect()创建一个直接 Buffer ，仅限 ByteBuffer

Channel

代表数据源，常用的实现类有：

• FileChannel：从文件读取数据的
• DatagramChannel：读写UDP网络协议数据
• SocketChannel：读写TCP网络协议数据
• ServerSocketChannel：可以监听TCP连接

所有的 Channel 需要通过 IO 节点流的 getChannel() 来创建，例如 FileInputStream、FileOutputStream、RandomAccessFile 的 getChannel() 返回 FileChannel 。每一个实现类都添加了 read() 和 write() 方法来实现 Channel 对缓冲区的读取和写入：

• int read(ByteBuffer bbf)
• int read(ByteBuffer bbf, long position)
• int write(ByteBuffer bbf)
• int write(ByteBuffer bbf, long position)

其他常用的方法：

• MappedByteBuffer map(FileChannel.MapMode mode, long posision, long size)
• void position(int pos)

Charset

编码集对象，使用流程：

Charset cs = Charset.forName("xxx");
CharSetEncoder ec = cs.newEncoder();
CharSetDecoder dc = cs.newDecoder();
ByteBuffer bbf = ec.encode(cbf);
CharBuffer cbf = dc.decode(bbf);