Java BIO体系详解

深碍√TFBOYSˉ_ 2023-07-04 12:40 18阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  前言
 *  输入流和输出流——明确流向
 *  流的特点
 *  基类的划分
 *  子类的划分——实体类和装饰类
 *   *  InputStream的子类
     *  OutputStream的子类
     *  Reader的子类
     *  Writer的子类
 *  典型使用方法
 *   *  缓冲读取File（使用BufferedReader）
     *  装饰InputStream类型的System.in
     *  从内存中的String读取（必然使用StringReader）
     *   *  使用StringReader
         *  使用StringReader打印两遍
         *  使用BufferedReader打印两遍
     *  从内存中的byte\[ \]读取（必然使用ByteArrayInputStream）
     *  将字符串写入File（使用PrintWriter）
     *  将Java数据类型写入File（使用DataOutputStream）

# 前言 #

本文讲解IO体系中的流式部分，即InputStream、OutputStream、Reader、Writer大家族。即BIO。

# 输入流和输出流——明确流向 #

总是说输入流和输出流，但是有的人可能很迷糊这流向到底是从哪里到哪里。首先要明确，输入和输出都是相对于内存而言的。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FubGlhbjUyMw_size_16_color_FFFFFF_t_70]

*  输入流是将数据从文件中流向内存；输出流则是将数据从内存中流向文件。
 *  输入流能做的事情无非是：**将文件中的数据放入java的数据类型中**（比如byte、char、short、int）。
 *  输出流能做的事情无非是：**将java数据类型中的数据放入文件中**。
 *  对于程序来说：**输入流是有能力产出数据的流，输出流是有能力接受数据的流。**

# 流的特点 #

*  使用流的好处就是，当你获得了一个流对象后，你就不用关心与流交互的具体节点是什么了。
 *  读出时，只能顺序读出；写入时，只能顺序写入。
 *  一个流只能要么是输入流、要么是输出流，不可能同时具有读和写的功能。（当然这里要除了RandomAccessFile）

# 基类的划分 #

Java的BIO体系从基类来分析还是很清晰的，因为可以从**数据的流向**和**处理的数据类型**来进行分类。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center"></th> 
   <th align="center">处理字节</th> 
   <th align="center">处理字符</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center"><strong>输入流</strong></td> 
   <td align="center">InputStream</td> 
   <td align="center">Reader</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"><strong>输出流</strong></td> 
   <td align="center">OutputStream</td> 
   <td align="center">Writer</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  InputStream和OutputStream：处理的数据类型为byte。
 *  Reader和Writer：处理的数据类型为char。
 *  总的来说，Reader/Writer相比InputStream/OutputStream算是一种升级，将当初设计得不好的地方进行了优化。

而字符流本质上来讲，是对字节流的功能拓展，因为字符流本质上也是在处理各个字节。比如FileReader的构造器，本质上也是先构造出一个FileInputStream。

public FileReader(String fileName) throws FileNotFoundException { 
            super(new FileInputStream(fileName));
        }

# 子类的划分——实体类和装饰类 #

其实子类可以分为两种：实体类和装饰类和其他。因为整个IO体系中使用到了装饰器模式，所以你可以动态组装这些流以构成你想要的功能，而装饰器就类似俄罗斯套娃（禁止套娃！）。现将可以进行装饰的流称为装饰类，真正拥有交互节点（文件、网络）的类称为实体类。

实体类必须有一个真正的节点（比如文件），用来产出数据或接受数据。  
而装饰类的构造器一般将一个流作为参数，所以它不用关心是否有节点，反正构造器接受的流肯定会直接或间接地包含到节点。装饰类，主要用来为流增加新功能。

## InputStream的子类 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FubGlhbjUyMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
还有一些被遗弃的类（就没有体现在上图中了），以及推荐使用的类：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">Deprecated Class</th> 
   <th align="center">Alternative</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">StringBufferInputStream</td> 
   <td align="center">StringReader</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">LineNumberInputStream</td> 
   <td align="center">LineNumberReader</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

从上图可以看出：

1.  InputStream有若干儿子类和孙子类。
2.  ByteArrayInputStream、FileInputStream都属于实体类。
3.  FilterInputStream及其子类和ObjectInputStream都属于装饰类。
4.  PipedInputStream是为了与其他线程公用管道来读取数据。
5.  SequenceInputStream更像是一个工具类，组合多个InputStream并依次读取。

再分别讲解：

*  从FileInputStream的成员以及构造器中可以看出，这确实是一个实体类，构造完成会持有一个file作为节点。

public class FileInputStream extends InputStream
    { 
        private final FileDescriptor fd;
        private final String path;
    
        public FileInputStream(String name) throws FileNotFoundException { ...}
        public FileInputStream(File file) throws FileNotFoundException { ...}
        public FileInputStream(FileDescriptor fdObj) { ...}
    }

*  从FileInputStream的成员以及构造器中可以看出，这确实是一个实体类，构造完成会持有一个byte\[\]字节数组作为节点。

public class ByteArrayInputStream extends InputStream { 
        protected byte buf[];
        
        public ByteArrayInputStream(byte buf[]) { ...}
        public ByteArrayInputStream(byte buf[], int offset, int length) { ...}
    }

*  FilterInputStream以及它的三个子类都是属于装饰类，它们的构造器都会接受一个InputStream，接受的这个流就会被装饰掉，装饰后的效果取决你使用了哪个装饰类。
 *  它们都是InputStream的子类，且构造器接受一个InputStream。这便是装饰器模式的要领：装饰者和被装饰者必须是同一个类型，且装饰者可以拓展功能。
 *  FilterInputStream从本质上来讲，只能算代理模式，因为它完全没有拓展任何功能。
 *  BufferedInputStream和PushbackInputStream为了拓展相应的功能，自己新加了一个字节数组成员。
 *  BufferedInputStream则是为了让读写更快，具体做法则是通过让程序不再直接与文件打交道（也就不必每次程序执行读写时，就真的执行一次物理读写动作），而是与缓冲区打交道。效果如下图，读取数据时，都是从缓冲区里读取，而缓冲区里的数据则都是提前读取一部分了的；写入数据时，都是往缓冲区里写入，而真正的物理写动作则是在缓冲区的数据满到一定程度后才执行的。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FubGlhbjUyMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

//FilterInputStream
    public class FilterInputStream extends InputStream { 
        protected volatile InputStream in;
        protected FilterInputStream(InputStream in) { 
            this.in = in;
        }
    }
    //DataInputStream构造器
    public DataInputStream(InputStream in) { 
            super(in);
        }
    //BufferedInputStream构造器
    public BufferedInputStream(InputStream in) { 
            this(in, DEFAULT_BUFFER_SIZE);
        }
    public BufferedInputStream(InputStream in, int size) { 
        super(in);
        if (size <= 0) { 
            throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");
        }
        buf = new byte[size];
    }
    //PushbackInputStream构造器
    public PushbackInputStream(InputStream in) { 
            this(in, 1);
        }
    public PushbackInputStream(InputStream in, int size) { 
        super(in);
        if (size <= 0) { 
            throw new IllegalArgumentException("size <= 0");
        }
        this.buf = new byte[size];
        this.pos = size;
    }

*  ObjectInputStream也是一个装饰类，但它没有继承FilterInputStream。

public ObjectInputStream(InputStream in) throws IOException { ...}

## OutputStream的子类 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FubGlhbjUyMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

1.  ByteArrayOutputStream、FileOutputStream是实体类。
2.  FilterOutputStream及其子类们和ObjectOutputStream都是装饰类。
3.  PipedOutputStream是线程用来输出数据的。

## Reader的子类 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FubGlhbjUyMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

1.  CharArrayReader、StringReader是实体类。
2.  BufferedReader及其子类是装饰类。（注意BufferedReader并没有继承自FilterReader）
3.  FilterReader及其子类也是装饰类。注意FilterReader算是jdk提供给你自定义装饰类的标准父类，而且它一个抽象类，让你来继承用的。
4.  InputStreamReader及其子类也是装饰类，但它是用来装饰InputStream的，所以说它是用来将InputStream转换为Reader的。
5.  PipedReader是线程用来读取数据的。

## Writer的子类 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FubGlhbjUyMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

1.  CharArrayWriter、StringWriter是实体类。
2.  BufferedWriter是装饰类。（注意它也没有继承FilterWriter）
3.  FilterWriter是装饰类，注意它是抽象类，用来继承实现自定义装饰类的。
4.  PrintWriter也是装饰类，它功能强大，一般作为装饰器模式的最外层。
5.  OutputStreamWriter及其子类也是装饰类，但它是用来装饰OutputStream的，所以说它是用来将OutputStream转换为Writer的。
6.  PipedWriter是线程用来输出数据的。

# 典型使用方法 #

## 缓冲读取File（使用BufferedReader） ##

import java.io.*;
    
    public class BufferedInputFile { 
        // Throw exceptions to console:
        public static String read(String filename) throws IOException { 
            // Reading input by lines:
            BufferedReader in = new BufferedReader(
                    new FileReader(filename));
            String s;
            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            while((s = in.readLine())!= null)
                sb.append(s + "\n");
            in.close();
            return sb.toString();
        }
    
        public static String read_Deprecated(String filename) throws IOException { 
            // Reading input by lines:
            DataInputStream in = new DataInputStream(
                    new FileInputStream(filename));
            String s;
            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            while((s = in.readLine())!= null)//readLine是Deprecated的
                sb.append(s + "\n");
            in.close();
            return sb.toString();
        }
    
        public static void main(String[] args)
                throws IOException { 
            // 注意如果报错文件找不到，那么根据根目录看自己文件的位置
            System.out.println("此工程的根目录:"+System.getProperty("user.dir"));
            System.out.print(read("src/BufferedInputFile.java"));
            System.out.print(read_Deprecated("src/BufferedInputFile.java"));
        }
    } /* (Execute to see output) *///:~

*  **使用了BufferedReader来装饰FileReader**。
 *  如果报错FileNotFoundException，那么注意是你给的文件路径不正确，请根据工程根目录修正路径。
 *  对比两个静态函数，read函数能够正常读取；read\_Deprecated函数在遇到中文字符时会出错（java文件一般是用utf-8来存代码的，而中文则一个汉字三个字节，DataInputStream遇到多字节存储的字符时就会出错，因为它认为字符都是ASCII字符即都是单字节的）。
 *  对于readLine方法，要使用BufferedReader的，而不是DataInputStream的。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">Deprecated Method</th> 
   <th align="center">Alternative</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">String DataInputStream.readLine()</td> 
   <td align="center">String BufferedReader.readLine()</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 装饰InputStream类型的System.in ##

结合上例例子，首先是错误示例：

import java.io.*;
    
    public class test2 { 
        public static void main(String[] args) throws IOException { 
            DataInputStream in = new DataInputStream(System.in);
            String s;
            while((s=in.readLine()) !=null) { 
                System.out.println(s);
            }
        }
    }

可见打印结果不对。  
![在这里插入图片描述][20200213154057595.png]  
然后是正确示例：**使用了BufferedReader来装饰InputStreamReader**

import java.io.*;
    
    public class test2 { 
        public static void main(String[] args) throws IOException { 
        	// 通过InputStreamReader将一个InputStream转换为Reader
            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
            String s;
            while((s=in.readLine()) !=null) { 
                System.out.println(s);
            }
        }
    }

![在这里插入图片描述][20200213154229855.png]

## 从内存中的String读取（必然使用StringReader） ##

### 使用StringReader ###

import java.io.*;
    
    public class MemoryInput { 
        public static void main(String[] args)
                throws IOException { 
            //注意StringReader构造器只是需要一个String
            StringReader in = new StringReader(
                    BufferedInputFile.read("src/MemoryInput.java"));
            int c;
            while((c = in.read()) != -1)
                System.out.print((char)c);
        }
    } /* (Execute to see output) *///:~

上面程序能够将文本一个字符一个字符地打印出来。

### 使用StringReader打印两遍 ###

import java.io.*;
    
    public class MemoryInput { 
        public static void main(String[] args)
                throws IOException { 
            StringReader in = new StringReader(
                    BufferedInputFile.read("src/MemoryInput.java"));
            int c;
            while((c = in.read()) != -1)
                System.out.print((char)c);
            in.reset();
    
            while((c = in.read()) != -1)
                System.out.print((char)c);
        }
    } /* (Execute to see output) *///:~

*  上面程序能够打印两遍代码。
 *  如果没有这句`in.reset();`，那么只能打印一遍，因为流已经用完了。
 *  在最开始读取之前，不用调用`in.mark()`，也能起到作用。

### 使用BufferedReader打印两遍 ###

import java.io.*;
    
    public class MemoryInput { 
        public static void main(String[] args)
                throws IOException { 
            //注意StringReader构造器只是需要一个String
            BufferedReader in = new BufferedReader(new StringReader(
                    BufferedInputFile.read("src/MemoryInput.java")));
            in.mark(BufferedInputFile.read("src/MemoryInput.java").length()+1);
            int c;
            while((c = in.read()) != -1)
                System.out.print((char)c);
            System.out.println("========================我是分割线==========================");
            in.reset();
            String s;
            while((s = in.readLine()) != null) { 
                System.out.println(s);
            }
        }
    } /* (Execute to see output) *///:~

*  程序**使用了BufferedReader来装饰StringReader**。此版本可以将Reader流用两遍，打印MemoryInput.java两次。
 *  如果没有`in.mark(BufferedInputFile.read("src/MemoryInput.java").length()+1);`和`in.reset();`这两句，第二遍就无法打印出东西，因为流已经用完了。
 *  mark函数的参数使用了`String.length()`，这很自然，因为Reader就是处理字符的流，length返回的也是字符个数。mark函数的参数，必须加1，不然reset时就会报错。
 *  由于使用了BufferedReader，所以也可以使用readLine方法了。（相比笨拙的read方法）

## 从内存中的byte\[ \]读取（必然使用ByteArrayInputStream） ##

import java.io.*;
    
    public class FormattedMemoryInput { 
        public static void main(String[] args) throws IOException { 
            try { 
                DataInputStream in = new DataInputStream(
                        new ByteArrayInputStream("test测试\n".getBytes()));
                while(true)
                    System.out.print((char)in.readByte());
            } catch(EOFException e) { 
                System.err.println("End of stream");
            }
        }
    } /* (Execute to see output) *///:~

![在这里插入图片描述][20200213174947752.png]

*  此程序**使用了DataInputStream来装饰ByteArrayInputStream**。打印时使用了readByte来读取每一个字节，再通过强转char来打印。
 *  由于中文字符在getBytes后一个字符肯定对应多个字节，且getBytes默认使用UTF-8来encode，所以在读取到中文字符的对应若干字节时，肯定会打印乱码。
 *  一直读取下去，如果读了最后一个字节后再次读取，就会抛出EOFException。（这看起来很烦人）

import java.io.*;
    
    public class FormattedMemoryInput { 
        public static void main(String[] args) throws IOException { 
            try { 
                DataInputStream in = new DataInputStream(
                        new ByteArrayInputStream("test测试\n".getBytes("UTF-16BE")));
                while(true)
                    System.out.print(in.readChar());
            } catch(EOFException e) { 
                System.err.println("End of stream");
            }
        }
    } /* (Execute to see output) *///:~

![在这里插入图片描述][20200213175646898.png]

*  此程序克服了读取中文字符乱码的情况。
 *  readChar在读取时，是以Unicode来读取的，即每两个字节对应到一个char。
 *  `getBytes("UTF-16BE")`使得encode时，使用UTF-16来编码，BE代表大端模式。
 *  当Unicode<=`\uFFFF`时，Unicode码就是UTF-16的存储，所以行得通。

import java.io.*;
    
    public class FormattedMemoryInput { 
        public static void main(String[] args) throws IOException { 
            DataInputStream in = new DataInputStream(
                    new ByteArrayInputStream("test测试\n".getBytes("UTF-16BE")));
            while(in.available() != 0)
                System.out.print(in.readChar());
        }
    } /* (Execute to see output) *///:~

此程序终于摆脱了EOFException，通过提前判断available。available返回为0代表没有字节可以读取了。但注意当available遇到网络IO时，就不好用了。

## 将字符串写入File（使用PrintWriter） ##

import java.io.*;
    
    public class test2 { 
        public static void main(String[] args) throws IOException { 
            PrintWriter out = new PrintWriter(
                    new BufferedWriter(new FileWriter("BasicFileOutput.out")));
            out.println("我是第一行");
            out.println(1111);
            out.println(3.14159);
            out.close();
            // Show the stored file:
            BufferedReader in = new BufferedReader(new FileReader("BasicFileOutput.out"));
            System.out.println(in.readLine());
            System.out.println(in.readLine());
            System.out.println(in.readLine());
        }
    }

*  **使用了装饰类BufferedWriter来装饰FileWriter**，这就使得写入时先写入到缓冲区里。
 *  **PrintWriter装饰在最外面**，因为它有很多方便的方法，比如print、println方法有很多重载版本。
 *  PrintWriter也有很多重载版本的构造器：

public PrintWriter(String fileName) throws FileNotFoundException { 
            this(new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(new FileOutputStream(fileName))),
                 false);
        }
    
    	public PrintWriter(OutputStream out) { 
    	        this(out, false);//调用下面的构造器
    	}
        public PrintWriter(OutputStream out, boolean autoFlush) { 
            this(new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(out)), autoFlush);
    
            // save print stream for error propagation
            if (out instanceof java.io.PrintStream) { 
                psOut = (PrintStream) out;
            }
        }

*  不管是String版的还是OutputStream版的构造器，它都自动为我们加上了缓冲功能（BufferedWriter）。

## 将Java数据类型写入File（使用DataOutputStream） ##

import java.io.*;
    
    public class StoringAndRecoveringData { 
        public static void main(String[] args) throws IOException { 
            DataOutputStream out = new DataOutputStream(
                    new BufferedOutputStream(
                            new FileOutputStream("Data.txt")));
            out.writeDouble(3.14159);//各种重载版本
            out.writeUTF("That was pi");
            out.writeDouble(1.41413);
            out.writeUTF("Square root of 2");
            out.close();
            DataInputStream in = new DataInputStream(
                    new BufferedInputStream(
                            new FileInputStream("Data.txt")));
            System.out.println(in.readDouble());
            // Only readUTF() will recover the
            // Java-UTF String properly:
            System.out.println(in.readUTF());
            System.out.println(in.readDouble());
            System.out.println(in.readUTF());
        }
    } /* Output: 3.14159 That was pi 1.41413 Square root of 2 *///:~

*  这句`new DataOutputStream( new BufferedOutputStream( new FileOutputStream("Data.txt")))`中，装饰类BufferedOutputStream起到了缓冲作用，DataOutputStream负责把各种数据类型转换为对应的内存存储字节。
 *  注意writeUTF可能不大一样，因为字符串本质是char数组，而java的char的底层存储是Unicode码。但writeUTF的实现并不是直接存入Unicode码，而是通过字符集UTF-8来映射到字节，再存入文件。
 *  writeUTF在写入UTF-8的映射字节之前，会先写入字符数量。这很合理，对于这种不定长的数据类型，首先给出长度是必须的。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FubGlhbjUyMw_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/2020021023403055.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2FubGlhbjUyMw==,size_16,color_FFFFFF,t_70
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