【Java基本功】淺析Java中IO流的概念和用法

2019 年 10 月 7 日
筆記

本文參考並發編程網 – ifeve.com

本文介紹了Java IO流的基本概念，使用方法，以及使用的注意事項等。幫助你更好地理解和使用Java的IO流。

IO流概述

在這一小節，我會試着給出Java IO(java.io)包下所有類的概述。更具體地說，我會根據類的用途對類進行分組。這個分組將會使你在未來的工作中，進行類的用途判定時，或者是為某個特定用途選擇類時變得更加容易。

輸入和輸出

術語「輸入」和「輸出」有時候會有一點讓人疑惑。一個應用程序的輸入往往是另外一個應用程序的輸出    那麼OutputStream流到底是一個輸出到目的地的流呢，還是一個產生輸出的流？InputStream流到底會不會輸出它的數據給讀取數據的程序呢？就我個人而言，在第一天學習Java IO的時候我就感覺到了一絲疑惑。    為了消除這個疑惑，我試着給輸入和輸出起一些不一樣的別名，讓它們從概念上與數據的來源和數據的流向相聯繫。

Java的IO包主要關注的是從原始數據源的讀取以及輸出原始數據到目標媒介。以下是最典型的數據源和目標媒介：

文件  管道  網絡連接  內存緩存  System.in, System.out, System.error(註：Java標準輸入、輸出、錯誤輸出)

下面這張圖描繪了一個程序從數據源讀取數據，然後將數據輸出到其他媒介的原理：

流

在Java IO中，流是一個核心的概念。流從概念上來說是一個連續的數據流。你既可以從流中讀取數據，也可以往流中寫數據。流與數據源或者數據流向的媒介相關聯。在Java IO中流既可以是位元組流(以位元組為單位進行讀寫)，也可以是字符流(以字符為單位進行讀寫)。

類InputStream, OutputStream, Reader 和Writer 一個程序需要InputStream或者Reader從數據源讀取數據，需要OutputStream或者Writer將數據寫入到目標媒介中。以下的圖說明了這一點：

InputStream和Reader與數據源相關聯，OutputStream和writer與目標媒介相關聯。

Java IO的用途和特徵

Java IO中包含了許多InputStream、OutputStream、Reader、Writer的子類。這樣設計的原因是讓每一個類都負責不同的功能。這也就是為什麼IO包中有這麼多不同的類的緣故。各類用途匯總如下：

文件訪問  網絡訪問  內存緩存訪問  線程內部通信(管道)  緩衝  過濾  解析  讀寫文本 (Readers / Writers)  讀寫基本類型數據 (long, int etc.)  讀寫對象

當通讀過Java IO類的源代碼之後，我們很容易就能了解這些用途。這些用途或多或少讓我們更加容易地理解，不同的類用於針對不同業務場景。

Java IO類概述表已經討論了數據源、目標媒介、輸入、輸出和各類不同用途的Java IO類，接下來是一張通過輸入、輸出、基於位元組或者字符、以及其他比如緩衝、解析之類的特定用途劃分的大部分Java IO類的表格。

Java IO類圖

什麼是Java IO流

Java IO流是既可以從中讀取，也可以寫入到其中的數據流。正如這個系列教程之前提到過的，流通常會與數據源、數據流向目的地相關聯，比如文件、網絡等等。

流和數組不一樣，不能通過索引讀寫數據。在流中，你也不能像數組那樣前後移動讀取數據，除非使用RandomAccessFile 處理文件。流僅僅只是一個連續的數據流。

某些類似PushbackInputStream 流的實現允許你將數據重新推回到流中，以便重新讀取。然而你只能把有限的數據推迴流中，並且你不能像操作數組那樣隨意讀取數據。流中的數據只能夠順序訪問。

Java IO流通常是基於位元組或者基於字符的。位元組流通常以「stream」命名，比如InputStream和OutputStream。除了DataInputStream 和DataOutputStream 還能夠讀寫int, long, float和double類型的值以外，其他流在一個操作時間內只能讀取或者寫入一個原始位元組。字符流通常以「Reader」或者「Writer」命名。字符流能夠讀寫字符(比如Latin1或者Unicode字符)。可以瀏覽Java Readers and Writers獲取更多關於字符流輸入輸出的信息。

InputStream

java.io.InputStream類是所有Java IO輸入流的基類。如果你正在開發一個從流中讀取數據的組件，請嘗試用InputStream替代任何它的子類(比如FileInputStream)進行開發。這麼做能夠讓你的代碼兼容任何類型而非某種確定類型的輸入流。

組合流

你可以將流整合起來以便實現更高級的輸入和輸出操作。比如，一次讀取一個位元組是很慢的，所以可以從磁盤中一次讀取一大塊數據，然後從讀到的數據塊中獲取位元組。為了實現緩衝，可以把InputStream包裝到BufferedInputStream中。

代碼示例 InputStream input = new BufferedInputStream(new FileInputStream("c:datainput-file.txt"));

緩衝同樣可以應用到OutputStream中。你可以實現將大塊數據批量地寫入到磁盤(或者相應的流)中，這個功能由BufferedOutputStream實現。緩衝只是通過流整合實現的其中一個效果。你可以把InputStream包裝到PushbackInputStream中，之後可以將讀取過的數據推回到流中重新讀取，在解析過程中有時候這樣做很方便。或者，你可以將兩個InputStream整合成一個SequenceInputStream。將不同的流整合到一個鏈中，可以實現更多種高級操作。通過編寫包裝了標準流的類，可以實現你想要的效果和過濾器。

IO文件

在Java應用程序中，文件是一種常用的數據源或者存儲數據的媒介。所以這一小節將會對Java中文件的使用做一個簡短的概述。這篇文章不會對每一個技術細節都做出解釋，而是會針對文件存取的方法提供給你一些必要的知識點。在之後的文章中，將會更加詳細地描述這些方法或者類，包括方法示例等等。

通過Java IO讀文件

如果你需要在不同端之間讀取文件，你可以根據該文件是二進制文件還是文本文件來選擇使用FileInputStream或者FileReader。    這兩個類允許你從文件開始到文件末尾一次讀取一個位元組或者字符，或者將讀取到的位元組寫入到位元組數組或者字符數組。你不必一次性讀取整個文件，相反你可以按順序地讀取文件中的位元組和字符。

如果你需要跳躍式地讀取文件其中的某些部分，可以使用RandomAccessFile。

通過Java IO寫文件

如果你需要在不同端之間進行文件的寫入，你可以根據你要寫入的數據是二進制型數據還是字符型數據選用FileOutputStream或者FileWriter。    你可以一次寫入一個位元組或者字符到文件中，也可以直接寫入一個位元組數組或者字符數據。數據按照寫入的順序存儲在文件當中。

通過Java IO隨機存取文件

正如我所提到的，你可以通過RandomAccessFile對文件進行隨機存取。

隨機存取並不意味着你可以在真正隨機的位置進行讀寫操作，它只是意味着你可以跳過文件中某些部分進行操作，並且支持同時讀寫，不要求特定的存取順序。    這使得RandomAccessFile可以覆蓋一個文件的某些部分、或者追加內容到它的末尾、或者刪除它的某些內容，當然它也可以從文件的任何位置開始讀取文件。

下面是具體例子：

@Test      //文件流範例，打開一個文件的輸入流，讀取到位元組數組，再寫入另一個文件的輸出流      public void test1() {          try {              FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(new File("a.txt"));              FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(new File("b.txt"));              byte []buffer = new byte[128];              while (fileInputStream.read(buffer) != -1) {                  fileOutputStream.write(buffer);              }              //隨機讀寫，通過mode參數來決定讀或者寫              RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(new File("c.txt"), "rw");          } catch (FileNotFoundException e) {              e.printStackTrace();          } catch (IOException e) {              e.printStackTrace();          }      }

字符流和位元組流

Java IO的Reader和Writer除了基於字符之外，其他方面都與InputStream和OutputStream非常類似。他們被用於讀寫文本。InputStream和OutputStream是基於位元組的，還記得嗎？

Reader Reader類是Java IO中所有Reader的基類。子類包括BufferedReader，PushbackReader，InputStreamReader，StringReader和其他Reader。

Writer Writer類是Java IO中所有Writer的基類。子類包括BufferedWriter和PrintWriter等等。

這是一個簡單的Java IO Reader的例子：

Reader reader = new FileReader("c:\data\myfile.txt");    int data = reader.read();    while(data != -1){        char dataChar = (char) data;        data = reader.read();    }

你通常會使用Reader的子類，而不會直接使用Reader。Reader的子類包括InputStreamReader，CharArrayReader，FileReader等等。可以查看Java IO概述瀏覽完整的Reader表格。

整合Reader與InputStream

一個Reader可以和一個InputStream相結合。如果你有一個InputStream輸入流，並且想從其中讀取字符，可以把這個InputStream包裝到InputStreamReader中。把InputStream傳遞到InputStreamReader的構造函數中：

Reader reader = new InputStreamReader(inputStream);

在構造函數中可以指定解碼方式。

Writer

Writer類是Java IO中所有Writer的基類。子類包括BufferedWriter和PrintWriter等等。這是一個Java IO Writer的例子：

Writer writer = new FileWriter("c:\data\file-output.txt");    writer.write("Hello World Writer");    writer.close();

同樣，你最好使用Writer的子類，不需要直接使用Writer，因為子類的實現更加明確，更能表現你的意圖。常用子類包括OutputStreamWriter，CharArrayWriter，FileWriter等。Writer的write(int c)方法，會將傳入參數的低16位寫入到Writer中，忽略高16位的數據。

整合Writer和OutputStream

與Reader和InputStream類似，一個Writer可以和一個OutputStream相結合。把OutputStream包裝到OutputStreamWriter中，所有寫入到OutputStreamWriter的字符都將會傳遞給OutputStream。這是一個OutputStreamWriter的例子：

Writer writer = new OutputStreamWriter(outputStream);

IO管道

Java IO中的管道為運行在同一個JVM中的兩個線程提供了通信的能力。所以管道也可以作為數據源以及目標媒介。

你不能利用管道與不同的JVM中的線程通信(不同的進程)。在概念上，Java的管道不同於Unix/Linux系統中的管道。在Unix/Linux中，運行在不同地址空間的兩個進程可以通過管道通信。在Java中，通信的雙方應該是運行在同一進程中的不同線程。

通過Java IO創建管道

可以通過Java IO中的PipedOutputStream和PipedInputStream創建管道。一個PipedInputStream流應該和一個PipedOutputStream流相關聯。    一個線程通過PipedOutputStream寫入的數據可以被另一個線程通過相關聯的PipedInputStream讀取出來。

Java IO管道示例這是一個如何將PipedInputStream和PipedOutputStream關聯起來的簡單例子：

//使用管道來完成兩個線程間的數據點對點傳遞      @Test      public void test2() throws IOException {          PipedInputStream pipedInputStream = new PipedInputStream();          PipedOutputStream pipedOutputStream = new PipedOutputStream(pipedInputStream);          new Thread(new Runnable() {              @Override              public void run() {                  try {                      pipedOutputStream.write("hello input".getBytes());                      pipedOutputStream.close();                  } catch (IOException e) {                      e.printStackTrace();                  }              }          }).start();          new Thread(new Runnable() {              @Override              public void run() {                  try {                      byte []arr = new byte[128];                      while (pipedInputStream.read(arr) != -1) {                          System.out.println(Arrays.toString(arr));                      }                      pipedInputStream.close();                  } catch (IOException e) {                      e.printStackTrace();                  }              }          }).start();

管道和線程請記得，當使用兩個相關聯的管道流時，務必將它們分配給不同的線程。read()方法和write()方法調用時會導致流阻塞，這意味着如果你嘗試在一個線程中同時進行讀和寫，可能會導致線程死鎖。

管道的替代除了管道之外，一個JVM中不同線程之間還有許多通信的方式。實際上，線程在大多數情況下會傳遞完整的對象信息而非原始的位元組數據。但是，如果你需要在線程之間傳遞位元組數據，Java IO的管道是一個不錯的選擇。

Java IO：網絡

Java中網絡的內容或多或少的超出了Java IO的範疇。關於Java網絡更多的是在我的Java網絡教程中探討。但是既然網絡是一個常見的數據來源以及數據流目的地，並且因為你使用Java IO的API通過網絡連接進行通信，所以本文將簡要的涉及網絡應用。

當兩個進程之間建立了網絡連接之後，他們通信的方式如同操作文件一樣：利用InputStream讀取數據，利用OutputStream寫入數據。換句話來說，Java網絡API用來在不同進程之間建立網絡連接，而Java IO則用來在建立了連接之後的進程之間交換數據。

基本上意味着如果你有一份能夠對文件進行寫入某些數據的代碼，那麼這些數據也可以很容易地寫入到網絡連接中去。你所需要做的僅僅只是在代碼中利用OutputStream替代FileOutputStream進行數據的寫入。因為FileOutputStream是OuputStream的子類，所以這麼做並沒有什麼問題。

//從網絡中讀取位元組流也可以直接使用OutputStream  public void test3() {      //讀取網絡進程的輸出流      OutputStream outputStream = new OutputStream() {          @Override          public void write(int b) throws IOException {          }      };  }  public void process(OutputStream ouput) throws IOException {      //處理網絡信息      //do something with the OutputStream  }

位元組和字符數組

從InputStream或者Reader中讀入數組

從OutputStream或者Writer中寫數組

在java中常用位元組和字符數組在應用中臨時存儲數據。而這些數組又是通常的數據讀取來源或者寫入目的地。如果你需要在程序運行時需要大量讀取文件里的內容，那麼你也可以把一個文件加載到數組中。

前面的例子中，字符數組或位元組數組是用來緩存數據的臨時存儲空間，不過它們同時也可以作為數據來源或者寫入目的地。舉個例子：

//字符數組和位元組數組在io過程中的作用      public void test4() {          //arr和brr分別作為數據源          char []arr = {'a','c','d'};          CharArrayReader charArrayReader = new CharArrayReader(arr);          byte []brr = {1,2,3,4,5};          ByteArrayInputStream byteArrayInputStream = new ByteArrayInputStream(brr);      }

System.in, System.out, System.err

System.in, System.out, System.err這3個流同樣是常見的數據來源和數據流目的地。使用最多的可能是在控制台程序里利用System.out將輸出打印到控制台上。

JVM啟動的時候通過Java運行時初始化這3個流，所以你不需要初始化它們(儘管你可以在運行時替換掉它們)。

System.in  System.in是一個典型的連接控制台程序和鍵盤輸入的InputStream流。通常當數據通過命令行參數或者配置文件傳遞給命令行Java程序的時候，System.in並不是很常用。圖形界面程序通過界面傳遞參數給程序，這是一塊單獨的Java IO輸入機制。    System.out  System.out是一個PrintStream流。System.out一般會把你寫到其中的數據輸出到控制台上。System.out通常僅用在類似命令行工具的控制台程序上。System.out也經常用於打印程序的調試信息(儘管它可能並不是獲取程序調試信息的最佳方式)。    System.err  System.err是一個PrintStream流。System.err與System.out的運行方式類似，但它更多的是用於打印錯誤文本。一些類似Eclipse的程序，為了讓錯誤信息更加顯眼，會將錯誤信息以紅色文本的形式通過System.err輸出到控制台上。

System.out和System.err的簡單例子：這是一個System.out和System.err結合使用的簡單示例：

//測試System.in, System.out, System.err      public static void main(String[] args) {          int in = new Scanner(System.in).nextInt();          System.out.println(in);          System.out.println("out");          System.err.println("err");          //輸入10，結果是  //        err（紅色）  //        10  //        out      }

字符流的Buffered和Filter

BufferedReader能為字符輸入流提供緩衝區，可以提高許多IO處理的速度。你可以一次讀取一大塊的數據，而不需要每次從網絡或者磁盤中一次讀取一個位元組。特別是在訪問大量磁盤數據時，緩衝通常會讓IO快上許多。

BufferedReader和BufferedInputStream的主要區別在於，BufferedReader操作字符，而BufferedInputStream操作原始位元組。只需要把Reader包裝到BufferedReader中，就可以為Reader添加緩衝區(譯者註：默認緩衝區大小為8192位元組，即8KB)。代碼如下：

Reader input = new BufferedReader(new FileReader("c:\data\input-file.txt"));

你也可以通過傳遞構造函數的第二個參數，指定緩衝區大小，代碼如下：

Reader input = new BufferedReader(new FileReader("c:\data\input-file.txt"), 8 * 1024);

這個例子設置了8KB的緩衝區。最好把緩衝區大小設置成1024位元組的整數倍，這樣能更高效地利用內置緩衝區的磁盤。

除了能夠為輸入流提供緩衝區以外，其餘方面BufferedReader基本與Reader類似。BufferedReader還有一個額外readLine()方法，可以方便地一次性讀取一整行字符。

BufferedWriter

與BufferedReader類似，BufferedWriter可以為輸出流提供緩衝區。可以構造一個使用默認大小緩衝區的BufferedWriter(譯者註：默認緩衝區大小8 * 1024B)，代碼如下：

Writer writer = new BufferedWriter(new FileWriter("c:\data\output-file.txt"));

也可以手動設置緩衝區大小，代碼如下：

Writer writer = new BufferedWriter(new FileWriter("c:\data\output-file.txt"), 8 * 1024);

為了更好地使用內置緩衝區的磁盤，同樣建議把緩衝區大小設置成1024的整數倍。除了能夠為輸出流提供緩衝區以外，其餘方面BufferedWriter基本與Writer類似。類似地，BufferedWriter也提供了writeLine()方法，能夠把一行字符寫入到底層的字符輸出流中。

值得注意是，你需要手動flush()方法確保寫入到此輸出流的數據真正寫入到磁盤或者網絡中。

FilterReade

與FilterInputStream類似，FilterReader是實現自定義過濾輸入字符流的基類，基本上它僅僅只是簡單覆蓋了Reader中的所有方法。

就我自己而言，我沒發現這個類明顯的用途。除了構造函數取一個Reader變量作為參數之外，我沒看到FilterReader任何對Reader新增或者修改的地方。如果你選擇繼承FilterReader實現自定義的類，同樣也可以直接繼承自Reader從而避免額外的類層級結構。