Java IO系列

Java IO 基础

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Java IO基础

Java IO系列
写在前面
IO 初识
- 什么是流？
- 流的三大特性
- 目录和文件操作
流的分类
- 输入流与输出流
- 节点流和处理流
- 字节流与字符流
- IO流方法
- 实例演示
- - FileInputStream、FileOutputStream（字节流）
  - InputStreamReader、OutputStreamWriter（字符流）
  - FileWriter、FileReader（字符流便捷类）
  - BufferedInputStream、BufferedOutputStream（缓冲字节流）
- 常见问题
- - 为什么要有字符流？
  - 字节流和字符流的区别
  - 字符流与字节流转换
参考文章

写在前面

有人曾问fastjson的作者（阿里技术专家高铁）：“你开发fastjson，没得到什么好处，反而挨了骂背了锅，这种事情你为什么要做呢？”

高铁答道：“因为热爱本身，就是奖励啊！”

这个回答顿时触动了我。想想自己，又何尝不是如此。写博客是个痛苦的过程，用心写博客就更加煎熬，需字字斟酌，反复删改才有所成。然而，当一篇篇精良文章出自己手而呈现眼前时，那些痛苦煎熬就都那么值得。如果这些博文能有幸得大家阅读和认可，就更加是莫大的鼓舞了。技术人的快乐就是可以这么纯粹和简单。

IO 初识

什么是流？

IO，即 in 和 out，也就是输入和输出，指应用程序和外部设备之间的数据传递，常见的外部设备包括文件、管道、网络连接。

在程序中所有的数据都是以流的方式进行传输或保存的，程序需要数据的时候要使用输入流读取数据，而当程序需要将一些数据保存起来的时候，就要使用输出流完成。流代表任何有能力产出数据的数据源对象或者是有能力接受数据的接收端对象。

程序中的输入输出都是以流的形式保存的，流中保存的实际上全都是字节文件。简单的来说，流是一组有序的数据序列（字节数组）。

流的三大特性

先进先出：最先写入输出流的数据最先被输入流读取到。
顺序存取：可以一个接一个地往流中写入一串字节，读出时也将按写入顺序读取一串字节，不能随机访问中间的数据。（RandomAccessFile除外）
只读或只写：每个流只能是输入流或输出流的一种，不能同时具备两个功能，输入流只能进行读操作，对输出流只能进行写操作。在一个数据传输通道中，如果既要写入数据，又要读取数据，则要分别提供两个流。

目录和文件操作

目录 Directory

创建目录对象：File dir = new File(String path);
目录是否存在：boolean isExists = dir.exists();
是否为目录：boolean isDir = dir.isDirectory();
获取子目录，子文件：File[] whats = dir.listFiles([FileNameFilter/FileFilter filter]);
存在→false，不存在→true,并创建：boolean mkdir = dir.mkdir[s]();
- mkdir: 创建最后一级目录
- mkdirs：创建所有不存在的目录

文件 File

创建文件对象：File file = new File(String path);
文件是否存在：boolean isExists = file.exists();
是否为文件：boolean isFile = file. isFile();
父目录字符串路径：String parentDir = file.getParent();
父目录对象：File parent =file.getParentFile();
文件名：String filename = file.getName();
文件可存剩余字节数：long freeSpace = file.getFreeSpace();
文件实际字节数：long realSize = file.length();
文件最后一次修改的长整时间：long lastMod = file.lastModified();
创建文件：boolean success = file.createNewFile();

相对路径和绝对路径

实例：递归遍历所有目录子,目录，文件

public static void showDir(String path,String sep){File what = new File(path);if(!what.exists()){return;}if(what.isFile()){System.out.println(sep+"file:\t"+what.getName());return;}System.out.println(sep+"dir:\t"+path);sep+="-";for (File file : what.listFiles()) {showDir(file.getPath(),sep);}
}

流的分类

java 中 IO 流分为几种?

按照流的流向分，可以分为输入流和输出流；
按照操作单元划分，可以划分为字节流和字符流；
按照流的角色划分为节点流和处理流。

按操作方式分类结构图：

按操作对象分类结构图：

输入流与输出流

输入与输出是相对于应用程序而言的，比如文件读写，读取文件是输入流，写文件是输出流，这点很容易搞反。

节点流和处理流

节点流：直接操作数据读写的流类，比如FileInputStream

处理流：对一个已存在的流的链接和封装，通过对数据进行处理为程序提供功能强大、灵活的读写功能，例如BufferedInputStream（缓冲字节流）

处理流和节点流应用了Java的装饰者设计模式。

下图就很形象地描绘了节点流和处理流，处理流是对节点流的封装，最终的数据处理还是由节点流完成的。

在诸多处理流中，有一个非常重要，那就是缓冲流。

我们知道，程序与磁盘的交互相对于内存运算是很慢的，容易成为程序的性能瓶颈。减少程序与磁盘的交互，是提升程序效率一种有效手段。缓冲流，就应用这种思路：普通流每次读写一个字节，而缓冲流在内存中设置一个缓存区，缓冲区先存储足够的待操作数据后，再与内存或磁盘进行交互。这样，在总数据量不变的情况下，通过提高每次交互的数据量，减少了交互次数。

字节流与字符流

字节流和字符流的用法几乎完成全一样，区别在于字节流和字符流所操作的数据单元不同，字节流操作的单元是数据单元是8位的字节，字符流操作的是数据单元为16位的字符。

所有文件的储存是都是字节（byte）的储存，在磁盘上保留的并不是文件的字符而是先把字符编码成字节，再储存这些字节到磁盘。在读取文件（特别是文本文件）时，也是一个字节一个字节地读取以形成字节序列。

字节流

InputStream与OutputStream是两个抽象类，是字节流的基类，所有具体的字节流实现类都是分别继承了这两个类。

InputStream类有很多的实现子类，OutputStream类继承关系与InputStream类似，下面列举了一些比较常用的：

详细说明一下上图中的类：

InputStream：InputStream是所有字节输入流的抽象基类，前面说过抽象类不能被实例化，实际上是作为模板而存在的，为所有实现类定义了处理输入流的方法。
FileInputSream：文件输入流，一个非常重要的字节输入流，用于对文件进行读取操作。
PipedInputStream：管道字节输入流，能实现多线程间的管道通信。
ByteArrayInputStream：字节数组输入流，从字节数组(byte[])中进行以字节为单位的读取，也就是将资源文件都以字节的形式存入到该类中的字节数组中去。
FilterInputStream：装饰者类，具体的装饰者继承该类，这些类都是处理类，作用是对节点类进行封装，实现一些特殊功能。
DataInputStream：数据输入流，它是用来装饰其它输入流，作用是“允许应用程序以与机器无关方式从底层输入流中读取基本 Java 数据类型”。
BufferedInputStream：缓冲流，对节点流进行装饰，内部会有一个缓存区，用来存放字节，每次都是将缓存区存满然后发送，而不是一个字节或两个字节这样发送，效率更高。
ObjectInputStream：对象输入流，用来提供对基本数据或对象的持久存储。通俗点说，也就是能直接传输对象，通常应用在反序列化中。它也是一种处理流，构造器的入参是一个InputStream的实例对象。

字符流

与字节流类似，字符流也有两个抽象基类，分别是Reader和Writer。其他的字符流实现类都是继承了这两个类。

以Reader为例，Writer与Reader结构类似，方向相反，它的主要实现子类如下图：

各个类的详细说明：

InputStreamReader：从字节流到字符流的桥梁（InputStreamReader构造器入参是FileInputStream的实例对象），它读取字节并使用指定的字符集将其解码为字符。它使用的字符集可以通过名称指定，也可以显式给定，或者可以接受平台的默认字符集。
BufferedReader：从字符输入流中读取文本，设置一个缓冲区来提高效率。BufferedReader是对InputStreamReader的封装，前者构造器的入参就是后者的一个实例对象。
FileReader：用于读取字符文件的便利类，new FileReader(File file)等同于new InputStreamReader(new FileInputStream(file, true),"UTF-8")，但FileReader不能指定字符编码和默认字节缓冲区大小。
PipedReader ：管道字符输入流。实现多线程间的管道通信。
CharArrayReader：从Char数组中读取数据的介质流。
StringReader ：从String中读取数据的介质流。

IO流方法

字节流方法

1. 字节输入流InputStream主要方法：

read() ：从此输入流中读取一个数据字节。
read(byte[] b) ：从此输入流中将最多 b.length 个字节的数据读入一个 byte 数组中。
read(byte[] b, int off, int len) ：从此输入流中将最多 len 个字节的数据读入一个 byte 数组中。
close()：关闭此输入流并释放与该流关联的所有系统资源。

read 方法的返回值 len 代表实际读取的字符数，-1表示文件末尾。

inputStream的read()返回int，但由于此类是面向字节流的，一个字节占8个位，所以返回 0 到 255 范围内的 int 字节值。如果因为已经到达流末尾而没有可用的字节，则返回值 -1。

2. 字节输出流OutputStream主要方法：

write(byte[] b) ：将 b.length 个字节从指定 byte 数组写入此文件输出流中。
write(byte[] b, int off, int len) ：将指定 byte 数组中从偏移量 off 开始的 len 个字节写入此文件输出流。
write(int b) ：将指定字节写入此文件输出流。
close() ：关闭此输入流并释放与该流关联的所有系统资源。

字符流方法

1. 字符输入流Reader主要方法：

read()：读取单个字符。
read(char[] cbuf) ：将字符读入数组。
read(char[] cbuf, int off, int len) ：将字符读入数组的某一部分。
read(CharBuffer target) ：试图将字符读入指定的字符缓冲区。
flush() ：刷新该流的缓冲。
close() ：关闭此流，但要先刷新它。

read 方法的返回值 len 代表实际读取的字符数，-1表示文件末尾。

Reader类的read()方法返回类型为int ：作为整数读取的字符（占两个字节共16位），范围在 0 到 65535 之间 (0x00-0xffff)，如果已到达流的末尾，则返回 -1。

2. 字符输出流Writer主要方法：

write(char[] cbuf) ：写入字符数组。
write(char[] cbuf, int off, int len) ：写入字符数组的某一部分。
write(int c) ：写入单个字符。
write(String str) ：写入字符串。
write(String str, int off, int len) ：写入字符串的某一部分。
flush() ：刷新该流的缓冲。
close() ：关闭此流，但要先刷新它。

另外，字符缓冲流还有两个独特的方法：

BufferedWriter类newLine() ：写入一个行分隔符。这个方法会自动适配所在系统的行分隔符。
BufferedReader类readLine() ：读取一个文本行。

readLine方法的返回值 line 代表实际读取行的内容，null表示文件末尾。

实例演示

FileInputStream、FileOutputStream（字节流）

InputStream 和OutputStream,两个是为字节流设计的，主要用来处理字节或二进制对象。

public class IOTest {public static void main(String[] args) throws IOException {File file = new File("D:/test.txt");write(file);System.out.println(read(file));}public static void write(File file) throws IOException {OutputStream os = new FileOutputStream(file, true);// 要写入的字符串String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";// 写入文件os.write(string.getBytes());// 关闭流os.close();}public static String read(File file) throws IOException {InputStream in = new FileInputStream(file);// 一次性取多少个字节byte[] bytes = new byte[1024];// 用来接收读取的字节数组StringBuilder sb = new StringBuilder();// 读取到的字节数组长度，为-1时表示没有数据int length = 0;// 循环取数据while ((length = in.read(bytes)) != -1) {// 将读取的内容转换成字符串sb.append(new String(bytes, 0, length));}// 关闭流in.close();return sb.toString();}
}

InputStreamReader、OutputStreamWriter（字符流）

字符流适用于文本文件的读写，OutputStreamWriter类其实也是借助FileOutputStream类实现的，故其构造方法是FileOutputStream的对象。

public class IOTest {public static void write(File file) throws IOException {// OutputStreamWriter可以显示指定字符集，否则使用默认字符集OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream(file, true), "UTF-8");// 要写入的字符串String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";osw.write(string);osw.close();}public static String read(File file) throws IOException {InputStreamReader isr = new InputStreamReader(new FileInputStream(file), "UTF-8");// 字符数组：一次读取多少个字符char[] chars = new char[1024];// 每次读取的字符数组先append到StringBuilder中StringBuilder sb = new StringBuilder();// 读取到的字符数组长度，为-1时表示没有数据int length;// 循环取数据while ((length = isr.read(chars)) != -1) { // 将读取的内容转换成字符串sb.append(chars, 0, length);}// 关闭流isr.close();return sb.toString()}
}

FileWriter、FileReader（字符流便捷类）

Java提供了FileWriter和FileReader简化字符流的读写，new FileWriter等同于new OutputStreamWriter(new FileOutputStream(file, true))

public class IOTest {public static void write(File file) throws IOException {FileWriter fw = new FileWriter(file, true);// 要写入的字符串String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";fw.write(string);fw.close();}public static String read(File file) throws IOException {FileReader fr = new FileReader(file);// 一次性取多少个字节char[] chars = new char[1024];// 用来接收读取的字节数组StringBuilder sb = new StringBuilder();// 读取到的字节数组长度，为-1时表示没有数据int length;// 循环取数据while ((length = fr.read(chars)) != -1) {// 将读取的内容转换成字符串sb.append(chars, 0, length);}// 关闭流fr.close();return sb.toString();}
}

BufferedInputStream、BufferedOutputStream（缓冲字节流）

缓冲字节流是为高效率而设计的，真正的读写操作还是靠FileOutputStream和FileInputStream。

public class IOTest {public static void write(File file) throws IOException {// 缓冲字节流，提高了效率BufferedOutputStream bis = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file, true));// 要写入的字符串String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";// 写入文件bis.write(string.getBytes());// 关闭流bis.close();}public static String read(File file) throws IOException {BufferedInputStream fis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(file));// 一次性取多少个字节byte[] bytes = new byte[1024];// 用来接收读取的字节数组StringBuilder sb = new StringBuilder();// 读取到的字节数组长度，为-1时表示没有数据int length = 0;// 循环取数据while ((length = fis.read(bytes)) != -1) {// 将读取的内容转换成字符串sb.append(new String(bytes, 0, length));}// 关闭流fis.close();return sb.toString();}
}

常见问题

为什么要有字符流？

Java中字符是采用Unicode标准，Unicode 编码中，一个英文为一个字节，一个中文为两个字节。

而在UTF-8编码中，一个中文字符是3个字节。例如下面图中，“云深不知处”5个中文对应的是15个字节：-28-70-111-26-73-79-28-72-115-25-97-91-27-92-124

那么问题来了，如果使用字节流处理中文，如果一次读写一个字符对应的字节数就不会有问题，一旦将一个字符对应的字节分裂开来，就会出现乱码了。为了更方便地处理中文这些字符，Java就推出了字符流。

字节流和字符流的区别

字节流没有缓冲区，是直接输出的，而字符流是输出到缓冲区的。因此在输出时，字节流不调用colse()方法时，信息已经输出了，而字符流只有在调用close()方法关闭缓冲区时，信息才输出。要想字符流在未关闭时输出信息，则需要手动调用flush()方法。
读写单位不同：字节流以字节（8bit）为单位，字符流以字符为单位，根据码表映射字符，一次可能读多个字节。
处理对象不同：字节流能处理所有类型的数据（如图片、avi等），而字符流只能处理字符类型的数据。字节流可以处理一切文件，而字符流只能处理纯文本文件。

结论：只要是处理纯文本数据，就优先考虑使用字符流。除此之外都使用字节流。

字符流与字节流转换

转换流的作用，文本文件在硬盘中以字节流的形式存储时，通过InputStreamReader读取后转化为字符流给程序处理，程序处理的字符流通过OutputStreamWriter转换为字节流保存。

转换流的特点：

其是字符流和字节流之间的桥梁
可对读取到的字节数据经过指定编码转换成字符
可对读取到的字符数据经过指定编码转换成字节

何时使用转换流？

当字节和字符之间有转换动作时；
流操作的数据需要编码或解码时。

具体的对象体现：

InputStreamReader:字节到字符的桥梁
OutputStreamWriter:字符到字节的桥梁

这两个流对象是字符体系中的成员，它们有转换作用，本身又是字符流，所以在构造的时候需要传入字节流对象进来。

OutputStreamWriter(OutStreamout):将字节流以字符流输出。
InputStreamReader(InputStream in)：将字节流以字符流输入。

参考文章

吃透Java IO https://my.oschina.net/u/4361759/blog/4658295

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