这些年一直记不住的 Java I/O

比眉伴天荒 2022-05-25 09:45 192阅读 0赞

本文目录

*  参考资料
 *  前言
 *  从对立到统一，字节流和字符流
 *  从抽象到具体，数据的来源和目的
 *  从简单到丰富，使用 Decorator 模式扩展功能
 *  Java 7 中引入的 NIO.2
 *  NIO.2 中的异步 I/O
 *  总结

## 参考资料 ##

该文中的内容来源于 Oracle 的官方文档。Oracle 在 Java 方面的文档是非常完善的。对 Java 8 感兴趣的朋友，可以从这个总入口[Java SE 8 Documentation][]开始寻找感兴趣的内容。这一篇主要讲 Java 中的 I/O，官方文档在这里[Java I/O, NIO, and NIO.2][Java I_O_ NIO_ and NIO.2]。

## 前言 ##

不知道大家看到这个标题会不会笑我，一个使用 Java 多年的老程序员居然一直没有记住 Java 中的 I/O。不过说实话，Java 中的 I/O 确实含有太多的类、接口和抽象类，而每个类又有好几种不同的构造函数，而且在 Java 的 I/O 中又广泛使用了 Decorator 设计模式（装饰者模式）。总之，即使是在 OO 领域浸淫多年的老手，看到下面这样的调用一样会蛋疼：

BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(new FileInputStream("somefile.txt")));

当然，这仅仅只是我为了体现 Java I/O 的错综复杂的构造函数而虚构出来的一个例子，现实中创建一个 BufferedReader 很少会嵌套这么深，因为可以直接使用 FileReader 而避免多创建一个 FileInputStream。但是从一个 InputStream 转化成一个 BufferedReader 总是有那么几步路要走的，比如下面这个例子：

URL cnblogs = new URL("http://www.cnblogs.com/");
    BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(cnblogs.openStream()));

Java I/O 涉及到的类也确实特别多，不仅有分别用于操作字符流和字节流的 InputStream 和 Reader、OutputStream 和 Writer，还有什么 BufferedInputStream、BufferedReader、PrintWriter、PrintStream等，还有用于沟通字节流和字符流的桥梁 InputStreamReader 和 OutputStreamWriter，每一个类都有其不同的应用场景，如此细致的划分，光是名字就足够让人晕头转向了。

我一直记不住 Java I/O 中各种细节的另一个原因可能是我深受 ANSI C 的荼毒吧。在 C 语言的标准库中，将文件的打开方式分为两种，一种是将文件当成二进制格式打开，一种是当成文本格式打开。这和 Java 中的字节流和字符流的划分有相似之处，但却掩盖了所有的数据其实都是字节流这样的本质。ANSI C 用多了，总以为二进制格式和文本格式是同一个层面的两种对立面，只能对立而不能统一，却不知在 Java 中，字符流是对字节流的更高层次的封装，最底层的 I/O 都是建立在字节流的基础上的。如果抛开 ANSI C 语言的标准 I/O 库，直接考察操作系统层面的 POSIX I/O，会发现操作的一切都是原始的字节数据，根本没有什么字节字符的区别。

除此之外，Java 走得更远，它考虑到了各种更加广泛的字节流，而不仅仅限于文件。比如网络中传输的数据、内存中传输的对象等等，都可以用流来抽象。但是不同的流具有不同的特性，有的流可以随机访问，而有的却只能顺序访问，有的可以解释为字符，有的不能。在能解释为字符的流中，有的一次只能访问一个字符，有的却可以一次访问一行，而且把字节流解释成字符流，还要考虑到字符编码的问题。

以上种种，均是造成 Java I/O 中类和接口多、对象构造方式复杂的原因。

## 从对立到统一，字节流和字符流 ##

先来说对立。在 Java 中如果要把流中的数据按字节来访问，就应该使用 InputStream 和 OutputStream，如果要把流中的数据按字符来访问，就应该使用 Reader 和 Writer。上面提到的这四个类都是抽象类，是所有其它具体类的基础。不能直接构造 InputStream、OutputStream、Reader 和 Writer 类的实例，但是根据 OO 原则，可以这样用：

InputStream in = new FileInputStream("somefile");
    int c = in.read();

或者这样：

Reader reader = new FileReader("somefile");
    int c = reader.read();

这里的 FileInputStream 和 FileReader 就是具体的类，这样的类还有很多，都位于 java.io 包中。文件读写是我们最常用的操作，所以最常用的就是 FileInputStream、FileOutputStream、FileReader、FileWriter这四个。这几个类的构造函数有多个，但是最简单的，肯定是接受一个代表文件路径的字符串做参数的那一个。根据 OO 原则，我们一般使用更加抽象的 InputStream、OutputStream、Reader、Writer 来引用具体的对象。所以，在考察 API 的时候，只需要考察这四个抽象类就可以了，其它的具体类，基本上只需要考察它们的构造方式。

而这几个类的 API 也确实很好记，用来输入的两个类 InputStream 和 Reader 主要定义了`read()`方法，而用来输出的两个类 OutputStream 和 Writer 主要定义了`write()`方法。所不同者，前者操作的是字节，后者操作的是字符。`read()`和`write()`最简单的用法是这样的：

package com.xkland.sample;
    
    import java.io.InputStream;
    import java.io.FileInputStream;
    import java.io.IOException;
    import java.io.FileNotFoundException;
    
    public class JavaIODemo {
       public static void main(String[] args) {
           if(args.length < 1){
               System.out.println("Usage: JavaIODemo filename");
               return;
           }
           String somefile = args[0];
           InputStream in = null;
           try{
               in = new FileInputStream(somefile);
               int c;
               while((c = in.read()) != -1) {  //这里用到read()
                   System.out.write(c);        //这里用到write()
               }
           }catch(FileNotFoundException e){
               System.out.println("File not found.");
           }catch(IOException e){
               System.out.println("I/O failed.");
           }finally{
               if(in != null){
                   try {
                       in.close();
                   }catch(IOException e){
                       //关闭流时产生的异常，直接抛弃
                   }
               }
           }
       }
    }

上面的例子展示了`read()`和`write()`的用法，在 InputStream 和 OutputStream 中，这两个方法操作的都是字节，但是，这里用来保存这个字节的变量却是`int`类型的。这正是 API 设计的匠心所在，因为`int`的宽度明显比`byte`要大，所以将一个`byte`读入到一个`int`之后，有效的数据只占据`int`型变量的最低8位，如果`read()`方法返回的是有效数据，那么这个`int`型的变量永远都不可能是负数。在这种情况下，`read()`方法可以用返回负数的方式来表示碰到特殊情况，比如返回`-1`表示到达了流的末尾，也就是用`-1`代表`EOF`。`write()`方法接受的参数也是`int`型的，但是它只把这个`int`型变量的最低8位写入流，其余的数据被忽略。

上面的例子还展示了 Java I/O 的一些特征：

1.  InputStream、OutputStream、Reader、Writer 等资源用完之后要关闭；
2.  所有的 I/O 操作都可能产生异常，包括调用`close()`方法。

这两个特征搅到一起就比较复杂了，本来因为异常的产生就容易让流的`close()`语句执行不到，所以只有把`close()`写到`finally`块中，但是在`finally`块中调用`close()`又要写一层`try...catch...`代码块。如果同时有多个流需要关闭，而前面的`close()`抛出异常，则后面的`close()`将不会执行，极易发生资源泄露。再加上如果前面的`catch()`块中的异常被重新抛出，而`finally`块中又没有处理好异常的话，前面的异常会被抑制，所以大部分人都 hold 不住这样的代码，包括 Oracle 的官方教程中的写法都是错误的。下面来看一下 Oracle 官方教程中的例子：

import java.io.FileInputStream;
    import java.io.FileOutputStream;
    import java.io.IOException;
    
    public class CopyBytes {
       public static void main(String[] args) throws IOException {
    
           FileInputStream in = null;
           FileOutputStream out = null;
    
           try {
               in = new FileInputStream("xanadu.txt");
               out = new FileOutputStream("outagain.txt");
               int c;
    
               while ((c = in.read()) != -1) {
                   out.write(c);
               }
           } finally {
               if (in != null) {
                   in.close();
               }
               if (out != null) {
                   out.close();
               }
           }
       }
    }

官方教程写得比我更偷懒，它直接让`main()`方法抛出`IOException`而避免了异常处理，也避免了在`finally`块中的`close()`语句外再写一层`try...catch...`。但是，这个示例的漏洞有两个，其一是如果`in.close()`抛出了异常，则`out.close()`就不会执行；其二是如果`try`块中抛出了异常，`finally`块中又抛出了异常，则前面抛出的异常会被丢弃。为了解决这个问题，Java 7中新加入了`try-with-resource`语法。后面都用这种方式写代码。

很显然，一次处理一个字节效率是及其低下的，所以`read()`和`write()`还有别的重载版本：

int read(byte[] b) int read(byte[] b, int off, int len) void write(byte[] b) void write(byte[] b, int off, int len)

它们都可以一次操作一块数据，用字节数组做为存储数据的容器。`read()`返回的是实际读取的字节数。而对于 Reader 和 Writer，它们的`read()`和`write()`方法的定义是这样的：

int read() int read(char[] cbuf) int read(char[] cbuf, int off, int len) void write(int c) void write(char[] cbuf) void write(char[] cbuf, int off, int len) void write(String str) void write(String str, int off, int len)

可以看出，使用 Reader 和 Writer 一次操作一个字符的时候，依然使用的是`int`型的变量。如果一次操作一块数据，则使用字符数组。输出的时候，还可以直接使用字符串。

到这里，已经可以很轻易记住八个类了：InputStream、OutputStream、Reader、Writer、FileInputStream、FileOutputStream、FileReader、FileWriter。前四个是抽象类，后四个是操作文件的具体类。而且这八个类分成两组，一组操作字节流，一组操作字符流。很简单的对立分组。

然而，前面我提到过，其实字节流和字符流并不是完全对立的存在，其实字符流是在字节流上更高层次的封装。在底层，一切数据都是字节，但是经过适当的封装，可以把这些字节解释成字符。而且，并不是所有的 Reader 都是可以像 FileReader 那样直接创建的，有时，只能拿到一个可以读取字节数据的 InputStream，却需要在它之上封装出一个 Reader，以方便按字符的方式读取数据。最典型的例子就是可以这样访问一个网页：

URL cnblogs = new URL("http://www.cnblogs.com/");
    InputStream in = cnblogs.openStream();

这时，拿到的是字节流 InputStream，如果想获得按字符读取数据的 Reader，可以这样创建：

Reader reader = new InputStreamReader(in);

所以， InputStreamReader 是沟通字节流和字符流的桥梁。同样的桥梁还用用于输出的 OutputStreamWriter。至此，不仅又轻松地记住了两个类，也再次证明了字节流和字符流既对立又统一的辩证关系。

## 从抽象到具体，数据的来源和目的 ##

InputStream、OutputStream、Reader 和 Writer 是抽象的，根据不同的数据来源和目的又有不同的具体类。前面的例子中提到了基于 File 的流，也初步展示了一个基于网络的流。结合平时使用计算机的经验，我们也可以想到其它一些不同的数据来源和目的，比如从内存中读取字节或把字节写入内存，从字符串中读取字符或者把字符写入字符串等等，还有从管道中读取数据和向管道中写入数据等等。根据不同的数据来源和目的，可以有这样一些具体类：FileInputStream、ByteArrayInputStream、PipedInputStream、FileOutputStream、ByteArrayOutputStream、PipedOutputStream、FileReader、StringReader、CharArrayReader、PipedReader、FileWriter、StringWriter、CharArrayWriter、PipedWriter等。从这些类的命名可以看出，凡是以Stream结尾的，都是操作字节的流，凡是以 Reader 和 Writer 结尾的，都是操作字符的流。只有 InputStreamReader 和 OutputStreamWriter 是例外，它是沟通字节和字符的桥梁。对于这些具体类，使用起来是没有什么困难的，只需要考察它们的构造函数就可以了。下面两幅 UML 类图可以展示这些类的关系。

InputStreams 和 Readers：  
![20180512092236836][]

OutputStreams 和 Writers：  
![20180512092250807][]

## 从简单到丰富，使用 Decorator 模式扩展功能 ##

从前文可以看出，所有的流都支持`read()`和`write()`，但是这样的功能毕竟还是太简单，有时还需要更高层次的功能需求，所以需要使用 Decorator 模式来对流进行扩展。比如，一次操作一个字节或一个字符效率太低，想把数据先缓存在内存中再进行操作，就可以扩展出 BufferedInputStream、BufferedReader、BufferedOutputStream、BufferedWriter 类。可以猜测到，BufferedOutputStream 和 BufferedWriter 类中一定有一个`flush()`方法，用来把缓存的数据写入到流中。而且，BufferedReader 还有 `readLine()` 方法，可以一次读取一行字符，甚至可以再扩展出一个 LineNumberReader，还可以提供行号的支持。再比如，有时从流中读出一个字节或一个字符后，又不想要了，想把它还回去，就可以再扩展出 PushbackInputStream 和 PushbackReader，提供`unread()`方法将刚读取的字节或字符还回去。可以想象，这种还回去的功能应该是需要缓存功能支持的，所以它们应该是在 BufferedInputStream 和 BufferedReader 外面又加了一层的装饰。这就是 Decorator 模式。

Java I/O 中自带的这种扩展类还有很多，不容易记。后面的介绍中，会针对重要的类举几个例子。在此之前，还是通过 UML 类图来了解一下扩展类。

从 InputStream 扩展的类：  
![20180512092358997][]

从 Reader 扩展的类：  
![20180512092411704][]

从 OutputStream 扩展的类：![115122_xa25_3739863.gif][]

![20180512092422549][]

从 Writer 扩展的类：![115122_0Diq_3739863.gif][]

![20180512092432849][]

从上图中可以看到，每一个分组中扩展的类的数量是不一样的，再也不是一种对称的关系。仔细一想也很好理解，例如 Pushback 这样的功能就只能用在输入流 InputStream 和 Reader 上，而向输出流中写入数据就像泼出去的水，没办法再 Pushback 了。再例如，向流中写入对象和读取对象，操作的肯定是字节流而不是字符流，所以只有 ObjectInputStream 和 ObjectOutputStream，而没有相应的 Reader 和 Writer 版本。再例如打印，操作的肯定是输出流，所以只有 PrintStream 和 PrintWriter，没有相应的输入流版本，这没有什么好奇怪的。

在这些类中，可以通过 PrintStream 和 PrintWriter 向流中写入格式化的文本，也可以通过 DataInputStream 和 DataOutputStream 从流中读取或向流中写入原始的数据，还可以通过 ObjectInputStream 和 ObjectOutputStream 从流中读取或写入一个完整的对象。如果要从流中读取格式化的文本，就必须使用 java.util.Scanner 类了。

下面先看一个简单的示例，使用 DataOutputStream 的`writeInt()`、`writeDouble()`以及`writeUTF()`方法将`int`、`double`、`String`类型的数据写入流中，然后再使用 DataInputStream 的`readInt()`、`readDouble()`、`readUTF()`方法从流中读取`int`、`double`、`String`类型的数据。为了简单起见，就使用基于文件的流作为存储数据的方式。代码如下：

package com.xkland.sample;
    
    import java.io.FileInputStream;
    import java.io.FileOutputStream;
    import java.io.BufferedInputStream;
    import java.io.BufferedOutputStream;
    import java.io.DataInputStream;
    import java.io.DataOutputStream;
    import java.io.IOException;
    import java.io.EOFException;
    
    public class DataStreamsDemo {
       public static void writeToFile(String filename){
    
           double[] prices = { 19.99, 9.99, 15.99, 3.99, 4.99 };
           int[] units = { 12, 8, 13, 29, 50 };
           String[] descs = {
               "Java T-shirt",
               "Java Mug",
               "Duke Juggling Dolls",
               "Java Pin",
               "Java Key Chain"
           };
           try(DataOutputStream out = new DataOutputStream(
                   new BufferedOutputStream(
                           new FileOutputStream(filename)))){
               for (int i = 0; i < prices.length; i ++) {
                   out.writeDouble(prices[i]);
                   out.writeInt(units[i]);
                   out.writeUTF(descs[i]);
               }
               
           }catch(IOException e){
               System.out.println(e.getMessage());
           }
       }
       
       public static void readFromFile(String filename){
           double price;
           int unit;
           String desc;
           double total = 0.0;
           try(DataInputStream in = new DataInputStream(
                   new BufferedInputStream(
                           new FileInputStream(filename)))){
               while (true) {
                   price = in.readDouble();
                   unit = in.readInt();
                   desc = in.readUTF();
                   System.out.format("You ordered %d" + " units of %s at $%.2f%n", unit, desc, price);
                   total += unit * price;
               }
               
           }catch(EOFException e){
               //达到文件末尾
               System.out.format("所有数据已读入，总价格为：$%.2f%n", total);
           }catch(IOException e){
               System.out.println(e.getMessage());
           }
       }
    }

然后在`main()`方法中这样调用：

package com.xkland.sample;
    
    public class JavaIODemo {
    
       public static void main(String[] args) {
           if(args.length < 1){
               System.out.println("Usage: JavaIODemo filename");
               return;
           }
           //向文件中写入数据
           DataStreamsDemo.writeToFile(args[0]);
           //从文件中读取数据并显示
           DataStreamsDemo.readFromFile(args[0]);
       }
    
    }

然后这样运行该程序：

java com.xkland.sample.JavaIODemo /home/youxia/testfile

最后输出是这样：

You ordered 12 units of Java T-shirt at $19.99
    You ordered 8 units of Java Mug at $9.99
    You ordered 13 units of Duke Juggling Dolls at $15.99
    You ordered 29 units of Java Pin at $3.99
    You ordered 50 units of Java Key Chain at $4.99
    所有数据已读入，总价格为：$892.88

如果使用`cat`命令查看`/home/youxia/testfile`文件的内容，只会看到一堆乱码，说明该文件是以二进制格式存储的。如下：

![11120359_LN8V.jpg][]

上面的代码展示了 DataInputStream 和 DataOutputStream 的用法，通过前面的探讨，对它们这样层层包装的构造方式已经见怪不怪了。并且在示例代码中使用了 Java 7 中新引入的`try-with-resource`语法，这样大大减少了代码的复杂度，所有打开的流都可以自动关闭，而且异常处理也更简洁。从代码中还可以看到，需要捕获 DataInputStream 的 EOFException 异常才能判断读取到了文件结尾。另外，使用这种方式写入和读取数据要非常小心，写入数据的顺序和读取数据的顺序一定要保持一致，如果先写一个`int`，再写一个`double`，则一定要先读一个`int`，再读一个`double`，否则只会读取错误的数据。不信可以通过修改上述示例代码中读取数据的顺序进行测试。

使用 DataInputStream 和 DataOutputStream 只能写入和读取原始的数据类型的数据，如`byte`、`char`、`short`、`float`等，如果要读取和写入复杂的对象就不行了，比如`java.math.BigDecimal`。这个时候就需要使用 ObjectInputStream 和 ObjectOutputStream 了。所有需要写入流和从流读取的 Object 必须实现`Serializable`接口，然后调用 ObjectInputStream 和 ObjectOutputStream 的`writeObject()`方法和`readObject()`方法就可以了。而且很奇妙的是，如果一个 Object 中包含了其它的 Object 对象，则这些对象都会被写入到流中，而且能保持它们之间的引用关系。从流中读取对象的时候，这些对象也会同时被读入内存，并保持它们之间的引用关系。如果把同一批对象写入不同的流，再从这些流中读出，就会获得这些对象多个副本。这里就不举例了。

与以二进制格式写入和读取数据相对的，就是以文本的方式写入和读取数据。PrintStream 和 PrintWriter 中的 Print 就是代表着输出能供人读取的数据。比如浮点数`3.14`可以输出为字符串`"3.14"`。利用 PrintStream 和 PrintWriter 中提供的大量`print()`方法和`println()`方法就可以做到这点，利用`format()`方法还可以进行更加复杂的格式化。把上面的例子做少量修改，如下：

package com.xkland.sample;
    
    import java.io.*;
    import java.util.Scanner;
    
    public class PrintStreamDemo {
       public static void writeToFile(String filename){
    
           double[] prices = { 19.99, 9.99, 15.99, 3.99, 4.99 };
           int[] units = { 12, 8, 13, 29, 50 };
           String[] descs = {
                   "Java T-shirt",
                   "Java Mug",
                   "Duke Juggling Dolls",
                   "Java Pin",
                   "Java Key Chain"
           };
           try(PrintStream out = new PrintStream(
                   new BufferedOutputStream(
                           new FileOutputStream(filename)))){
               for (int i = 0; i < prices.length; i ++) {
                   out.println(prices[i]);
                   out.println(units[i]);
                   out.println(descs[i]);
               }
    
           }catch(IOException e){
               System.out.println(e.getMessage());
           }
       }
    
       public static void readFromFile(String filename){
           double price;
           int unit;
           String desc;
           double total = 0.0;
           try(Scanner s = new Scanner(new BufferedReader(new FileReader(filename)))){
               s.useDelimiter("\n");
               while (s.hasNext()) {
                   price = s.nextDouble();
                   unit = s.nextInt();
                   desc = s.next();
                   System.out.format("You ordered %d" + " units of %s at $%.2f%n", unit, desc, price);
                   total += unit * price;
               }
               System.out.format("所有数据已读入，总价格为：$%.2f%n", total);
           }catch(IOException e){
               System.out.println(e.getMessage());
           }
       }
    }

这时输出的数据和输入的数据都是经过良好格式化的，非常便于阅读和打印，但是在处理数据的时候需要进行适当的转换和解析，所以会一定程度上影响效率。在使用`java.util.Scanner`时，可以使用`useDelimiter()`方法设置合适的分隔符，在 Linux 系统中，空格、冒号、逗号都是常用的分隔符，具体情况具体分析。在上面的例子中，我直接将每个数据作为一行保存，这样更加简单。如果使用`cat`命令查看`/home/youxia/testfile`文件的内容，可以看到格式良好的数据，如下：

youxia@ubuntu:~$ cat testfile
    19.99
    12
    Java T-shirt
    9.99
    8
    Java Mug
    15.99
    13
    Duke Juggling Dolls
    3.99
    29
    Java Pin
    4.99
    50
    Java Key Chain

如果不想使用流，只想像 C 语言那样简单地操作文件，可以使用 RandomAccessFile 类。

对于 PrintStream 和 PrintWriter，我们用得最多的就是基于命令行的标准输入输出，也就是从键盘读入数据和向屏幕写入数据。Java 中有几个内建的对象，它们分别是 System.in、System.out、System.err，因为平时用得多，我就不一一细讲了。需要说明的是，这几个对象都是字节流而不是字符流，这也可以理解，虽然我们的键盘不能输入纯二进制数据，但是通过管道和文件重定向却可以，在控制台中输出乱码也是常见的现象，所以这几个流必须是字节流而不是字符流。如果要想按字符的方式读取标准输入，可以使用 InputStreamReader 这样转换一下：

InputStreamReader cin = new InputStreamReader(System.in);

除此之外，还可以使用 System.console 对象，它是 Console 类的一个实例。它提供了几个实用的方法来操作命令行，如`readLine()`、`readPassword()`等，它的操作是基于字符流的。不过在使用 System.console 之前，先要判断它是否存在，如果操作系统不支持或程序运行在一个没有命令行的环境中，则其值为`null`。

## Java 7 中引入的 NIO.2 ##

早在 2002 年发布的 Java 1.4 中就引入了所谓的 New I/O，也就是 NIO。但是依然被打脸， NIO 还是不那么好用，还白白浪费了 New 这个词，搞得 Java 7 中对 I/O 的改进不得不称为 NIO.2。在 Java 7 之前的 I/O 怎么不好用呢？主要表现在以下几点：

1.  在不同的操作系统中，对文件名的处理不一致；
2.  不方便对目录树进行遍历；
3.  不能处理符号链接；
4.  没有一致的文件属性模型，不能方便地访问文件的属性。

所以，虽然存在`java.io.File`类，我前文中却没有介绍它。在 Java 7 中，引入了 Path、Paths、Files等类来对文件进行操作。Path 代表文件的路径，不同操作系统有不同的文件路径格式，而且还有绝对路径和相对路径之分。可以这样创建路径：

Path absolute = Paths.get("/", "home", "youxia");
    Path relative = Paths.get("myprog", "conf", "user.properties");

静态方法`Paths.get()`可以接受一个或多个字符串，然后它将这些字符串用文件系统默认的路径分隔符连接起来。然后它对结果进行解析，如果结果在指定的文件系统上不是一个有效的路径，那么它会抛出一个 InvalidPathException 异常。当然，也可以给该方法传递一个含有分隔符的字符串：

Path home = Paths.get("/home/youxia");

Path 类提供很多有用的方法对路径进行操作。例如：

Path home = Paths.get("/home/youxia");
    Path conf = Paths.get("myprog", "conf", "user.properties");
    home.resolve(conf);   // 返回"/home/youxia/myprog/conf/user.properties"
    Path another_home = Paths.get("/home/another");
    home.relativize(another_home);   //返回相对路径"../another"
    Paths.get("/home/youxia/../another/./myprog").normalize();    //去掉路径中冗余，返回"/home/another/myprog"
    conf.toAbsolutePath();    //根据程序的运行目录返回绝对路径，如过在用户的根目录中启动程序，则返回"/home/youxia/myprog/conf/user.properties"
    conf.getParent();    //获得路径的不含文件名的部分，返回"myprog/conf/"
    conf.getFileName();    //获得文件名，返回"user.properties"
    conf.getRoot();    //获得根目录

使用 Files 类可以快速实现一些常用的文件操作。例如，可以很容易地读取一个文件的全部内容：

byte[] bytes = Files.readAllBytes(path);

如果想将文件内容解释为字符串，可以在 readAllBytes 后调用：

String content = new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8);

也可以按行来读取文件：

List<String> lines = Files.readAllLines(path);

反过来，将一个字符串写入文件：

Files.write(path, content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

按行写入：

Files.write(path, lines);

将内容追加到指定文件中：

Files.write(path, lines, StandardOpenOption.APPEND);

当然，仍然可以使用前文介绍的 InputStream、OutputStream、Reader、Writer 类。这样创建它们：

InputStream in = Files.newInputStream(path);
    OutputStream out = Files.newOutputStream(path);
    Reader reader = Files.newBufferedReader(path);
    Writer in = Files.newBufferedWriter(path);

同时，使用`Files.copy()`方法，可以简化某些工作：

Files.copy(in, path);    //将一个 InputStream 中的内容保存到一个文件中
    Files.copy(path, out);   //将一个文件的内容复制到一个 OutputStream 中

一些创建、删除、复制、移动文件和目录的操作：

Files.createDirectory(path);    //创建一个新目录
    Files.createFile(path);         //创建一个空文件
    Files.exists(path);             //检测一个文件或目录是否存在
    Files.createTempFile(prefix, suffix);  //创建一个临时文件
    Files.copy(fromPath, toPath);   //复制一个文件
    Files.move(fromPath, toPath);   //移动一个文件
    Files.delete(path);             //删除一个文件

如果目标文件或目录存在的话，`copy()`和`move()`方法会失败。如果希望覆盖一个已存在的文件，可以使用`StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING`选项。也可以指定使用原子方式来执行移动操作，这样要么移动操作成功完成，要么源文件依然存在，可以使用`StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE`选项。

可以通过`Files.isSymbolicLink()`方法判断一个文件是否是符号链接，还可以通过`File.readSymbolicLink()`方法读取该符号链接目标的真实路径。关于文件属性，Java 7 中提供了 BasicFileAttributes 对真正通用的文件属性进行了抽象，对于更具体的文件属性，还提供了 PosixFileAttributes 等类。可以使用`Files.readAttributes()`方法读取文件的属性。关于符号链接和属性，来看一个示例：

package com.xkland.sample;
    
    import java.io.IOException;
    import java.nio.file.Files;
    import java.nio.file.LinkOption;
    import java.nio.file.Path;
    import java.nio.file.Paths;
    import java.nio.file.attribute.PosixFileAttributes;
    
    public class JavaIODemo {
       public static void main(String[] args) {
           if(args.length < 1){
               System.out.println("Usage: JavaIODemo filename");
               return;
           }
           Path path = Paths.get(args[0]);
           Path real = null;
           try{
               if(Files.isSymbolicLink(path)){
                   real = Files.readSymbolicLink(path);
               }
               PosixFileAttributes attr = Files.readAttributes(path, PosixFileAttributes.class, LinkOption.NOFOLLOW_LINKS);
               System.out.format("%s, size: %d, isSymbolicLink: %b .", path, attr.size(), attr.isSymbolicLink());
               System.out.println();
               PosixFileAttributes attrOfReal = Files.readAttributes(real, PosixFileAttributes.class);
               System.out.format("%s, size: %d, isSymbolicLink: %b .", real, attrOfReal.size(), attrOfReal.isSymbolicLink());
               System.out.println();
           } catch (IOException e) {
               e.printStackTrace();
           }
       }
    }

如果这样运行程序，可以查看`/etc/alternatives/js`文件是否是符号链接，并查看具体链接到哪个文件：

youxia@ubuntu:~$java com.xkland.sample.JavaIODemo /etc/alternatives/java
    /etc/alternatives/java, size: 35, isSymbolicLink: true .
    /usr/java/jdk1.8.0_102/jre/bin/java, size: 7734, isSymbolicLink: false .

NIO.2 API 会默认跟随符号链接，如果不要上述示例代码中的`LinkOption.NOFOLLOW_LINKS`选项，则`Files.readAttributes()`返回的结果就是实际文件的属性，而不是符号链接文件的属性。

## NIO.2 中的异步 I/O ##

由于 I/O 操作经常会阻塞，所以编写异步 I/O 操作的代码从来都是提高程序运行效率的有效手段。特别是 Node.js 的出现，使异步 I/O 的影响达到空前的巨大，基于 Callback 的异步 I/O 早已深入人心。 Java 7 中有三个新的异步通道：

1.  AsynchronousFileChannel —— 用于文件 I/O；
2.  AsynchronousSocketChannel —— 用于套接字 I/O，支持超时；
3.  AsynchronousServerSocketChannel —— 用于套接字接受异步链接。

这里只考察一下基于文件的异步 I/O。使用异步 I/O 有两种形式，一种是基于 Future，一种是基于 Callback。使用 Future 的示例代码如下：

try{
       Path file = Paths.get("/home/youxia/testfile");
       AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(file);    //异步打开文件
       ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100_000);
       Future<Integer> result = channel.read(buffer, 0);    //读取 100 000 字节
       while(!result.isDone()){
           //干点儿别的事情
       }
       Integer bytesRead = result.get();    //获取结果
       System.out.println("已读取的字节数：" + bytesRead);
    }catch(IOException | ExecutionException | InterruptedException e){
       System.out.println(e.getMessage());
    }

如果使用基于 Callback 的异步 I/O，其示例代码是这样的：

try{
       Path file = Paths.get("/home/youxia/testfile");
       AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(file);
       ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100_000);  //异步方式打开文件，分配缓冲区准备读取，和前面是一样的
    
       channel.read(buffer, 0, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>(){
    
           public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment){
               System.out.println("已读取的字节数：" + bytesRead);
           }
    
           public void failed(Throwable exception, ByteBuffer attachment){
               System.out.println(exception.getMessage());
           }
       });  //调用 channel.read() 的另一个版本，接受一个 CompletionHandler 类的对象做参数
    
    }catch(IOException e){
       System.out.println(e.getMessage());
    }

在这里，创建了一个回调对象，该对象有`completed()`方法和`failed()`方法，根据 I/O 操作是否成功相应的方法会被回调，这和 Node.js 中的异步 I/O 是何其的相似啊。

## 总结 ##

写完这一篇，估计我是再也不会忘记 Java I/O 的用法了。认真读完我这一篇的朋友应该也一样，如果读一遍又忘记了的话，就多读几遍。当然，我这一篇文章仍不可能包含 Java I/O 的方方面面。关于具体的 API，大家直接查看 Oracle 的官方文档就可以了。读到这里的朋友，请不要忘记给个赞，谢谢。

原文：https://my.oschina.net/u/3739863/blog/1810570

[Java SE 8 Documentation]: https://docs.oracle.com/javase/8/
[Java I_O_ NIO_ and NIO.2]: https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/io/index.html
[20180512092236836]: /images/20220525/1830ab1765da441fb52e3d2ad63bac87.png
[20180512092250807]: /images/20220525/63205a7ba86a45a1bd1801fc8a3662c4.png
[20180512092358997]: /images/20220525/89d701de5ca2402f9aeaee2087e9ee52.png
[20180512092411704]: /images/20220525/523f511afffc4b538123ca71d77a3f0d.png
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