JavaIO流设计模型

荒流2021年7月15日大约 10 分钟约 3080 字

Java 把所有设备里的有序数据抽象成流模型，简化了输入/输出处理。

1. 流的概念

Java 把不同的输入/输出源（键盘、文件、网络连接等）抽象表述为流(stream) ，通过流的方式允许 Java 程序使用相同的方式来访问不同的输入/输出源。流即是从起源(source)到接收(sink)的有序数据。

流的基本概念模型把设备抽象成一个“水管”：

输入流：输入流使用隐式的记录指针来表示当前正准备从哪个“水滴”开始读取，每当程序从输入流中取出一个或多个“水滴”后，记录指针自动向后移动。
输出流：输出流同样采样隐式的记录指针来标识当前水滴即将放入的位置，每当程序向输出流里输出一个或多个水滴后，记录指针自动向后移动。

2. Java IO 流模型

2.1 IO 流的分类

Java 的 IO 通过 java.io 包下的类和接口来支持（有大概80个类）。IO 流可以按照多种分类方式进行划分：

按照流向划分：
- 输入流：只能从中读取数据，不能向其写入数据。包含 InputStream 和 Reader 体系。
- 输出流：只能向其写入数据，不能从中读取数据。包含 OutputStream 和 Writer 体系。
按照操作的数据单元划分：
- 字节流：以字节（8 bit）为单位。包含 InputStream 和 OutputStream 体系。
- 字符流：以字符（16 bit）为单位。包含 Reader 和 Writer 体系。
按照作用层级划分（使用了装饰器设计模式）：
- （底层）节点流：用于和底层的物理存储节点直接关联。可以从/向一个特定的 IO 设备读/写数据的流，程序直接连接到实际的数据源。也被称作低级流。
- （上层）处理流：对一个已存在的流进行连接或封装，通过封装后的流来实现数据读/写功能。也被称作高级流/包装流。

Java7 在 java.nio 及其子包下提供了一系列全新的API，这些API是对原有新IO的升级，因此也被称为 NIO2，通过 NIO2 程序可以更高效地进行输入、输出操作。

2.2 IO 操作的分类

对于 IO 操作，可分成两步：

程序发出 IO 请求。由此可将 IO 操作划分为阻塞IO/非阻塞IO：
- 阻塞IO：发出IO请求会阻塞线程。
- 非阻塞IO：发出IO请求不会阻塞线程。
完成实际的 IO 操作。由此可将IO操作划分为同步IO/异步IO：
- 同步IO：指实际的 IO 需要程序本身去执行，意味着会阻塞线程，故而是同步IO；
- 异步IO：指实际的 IO 操作由操作系统完成，再将结果返回给应用程序，故而是异步IO。

2.3 处理流模型

Java 的处理流模型则体现了 Java 输入/输出流设计的灵活性，处理流的功能主要体现在：

性能的提高：主要以增加缓冲的方式来提高输入/输出的效率；
操作的便捷：处理流可能提供了一系列便捷的方法来一次输入/输出大批量的内容，而不是输入/输出一个或多个“水滴”。

使用处理流时，先用处理流来包装节点流，然后程序通过处理流来执行输入/输出功能，让节点流与底层的I/O设备、文件交互。

class PrintStreamTest {
    public static void main(String[] args) {
        try (
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream("test.txt"); 
            PrintStream ps = new PrintStream(fos);
        ) {
            ps.println("hello, world");
            ps.println(new PrintStreamTest());
        } catch (IOException ioe) {
            ioe.printStackTrace();
        }
    }
}

3. Java IO 流的类体系

Java 的 IO 流共涉及40多个类，它们都是从4个抽象基类派生的：

抽象基类	说明
`InputStream/Reader`	所有输入流的基类，前者是字节输入流，后者是字符输入流
`OutputStream/Writer`	所有输出流的基类，前者是字节输出流，后者是字符输出流

3.1 输入流的方法

InputStream 独有方法：

方法	说明
`int read()`	从输入流中读取单个字节，返回所读取的字节数据
`int read(byte[] b)`	从输入流中最多读取`b.length`个字节，并将其存储在字节数组`b`中，返回实际读取的字节数
`int read(byte[] b, int off, int len)`	从输入流中最多读取`len`个字节，并将其存储在字节数组`b`中，放入数组`b`中时，从`off`位置开始，返回实际读取的字节数

Reader 独有方法：
方法说明
int read() 从输入流中读取单个字符，返回所读取的字符数据
int read(char[] cbuf) …
int read(char[] cbuf, int off, int len) …

方法	说明
`int read()`	从输入流中读取单个字符，返回所读取的字符数据
`int read(char[] cbuf)`	…
`int read(char[] cbuf, int off, int len)`	…

InputStream/Reader 公共方法：

方法	说明
`void mark(int readAheadLimit)`	在记录指针当前位置记录一个标记
`boolean markSupported()`	判断此输入流是否支持`mark()`操作
`void reset()`	将此流的记录指针重新定位到上一次记录标记(mark)的位置
`long skip(long n)`	记录指针向前移动`n`个字节/字符

3.2 输出流的方法

OutputStream/Writer 的相似方法：

方法	说明
`void write(int c)`	将指定的字节/字符输出到输出流中
`void write(byte[]/char[] buf)`	将字节数组/字符数组中的数据输出到指定输出流中
`void write(byte[]/char[] buf, int off, int len)`	将字节数组/字符数组中从`off`位置开始，长度为`len`的字节/字符输出到输出流中

Writer 的特殊方法：因为字符流直接以字符作为操作单位，所以 Writer 可以用字符串来代替字符数组。

方法	说明
`void write(String str)`	将`str`字符串里包含的字符输出到指定输出流中
`void write(String str, int off, int len)`	将`str`字符串里从`off`位置开始，长度为`len`的字符输出到指定输出流中

3.3 close()方法

InputStream和OutputStream都提供了close()方法关闭输出流，以便释放系统资源。但是要特别注意的是，OutputStream还提供了一个flush()方法，它的目的是将缓冲区的内容真正输出到目的地。

为什么要有flush()？因为向磁盘、网络写入数据的时候，出于效率的考虑，操作系统并不是输出一个字节就立刻写入到文件或者发送到网络，而是把输出的字节先放到内存的一个缓冲区里（本质上就是一个byte[]数组），等到缓冲区写满了，再一次性写入文件或者网络。对于很多IO设备来说，一次写一个字节和一次写1000个字节，花费的时间几乎是完全一样的，所以OutputStream有个flush()方法，能强制把缓冲区内容输出。

通常情况下，我们不需要调用这个flush()方法，因为缓冲区写满了OutputStream会自动调用它，并且，在调用close()方法关闭OutputStream之前，也会自动调用flush()方法。

因此，使用 Java 的 IO 流执行输出时，不要忘记执行close()方法关闭输出流，关闭输出流除可以保证流的物理资源被回收之外，可能还可以将输出流缓冲区中的数据 flush 到物理节点里。

不过，在某些情况下，我们仍然必须手动调用flush()方法。例如：

小明正在开发一款在线聊天软件，当用户输入一句话后，就通过OutputStream的write()方法写入网络流。小明测试的时候发现，发送方输入后，接收方根本收不到任何信息，怎么肥四？
原因就在于写入网络流是先写入内存缓冲区，等缓冲区满了才会一次性发送到网络。如果缓冲区大小是4K，则发送方要敲几千个字符后，操作系统才会把缓冲区的内容发送出去，这个时候，接收方会一次性收到大量消息。
解决办法就是每输入一句话后，立刻调用flush()，不管当前缓冲区是否已满，强迫操作系统把缓冲区的内容立刻发送出去。

实际上，InputStream也有缓冲区。例如，从FileInputStream读取一个字节时，操作系统往往会一次性读取若干字节到缓冲区，并维护一个指针指向未读的缓冲区。然后，每次我们调用int read()读取下一个字节时，可以直接返回缓冲区的下一个字节，避免每次读一个字节都导致IO操作。当缓冲区全部读完后继续调用read()，则会触发操作系统的下一次读取并再次填满缓冲区。

在使用处理流包装了底层节点流之后，关闭输入/输出流资源时，只要关闭最上层的处理流即可，系统会自动关闭被该处理流包装的节点流。

4. 常用类详述

通常来讲，字节流的功能比字符流的功能强大，因为计算机里所有的数据都是二进制的，而字节流可以处理所有的二进制文件。但问题是，如果使用字节流来处理文本文件，则需要使用合适的方式把这些字节转换成字符，这就增加了编程的复杂度。

一般规则：如果进行输入/输出的内容是文本内容，应该考虑使用字符流；如果进行输入/输出的内容是二进制内容，应该考虑使用字节流。

4.1 标准输入/输出流

Java使用System.in和System.out来代表标准输入/输出，即键盘输入/显示器。

System.in：标准输入流，InputStream类型，这个流是已经打开了的，默认状态对应于键盘输入；
System.out：标准输出流，PrintStream类型，默认状态对应于屏幕输出；
System.err：标准错误信息输出流，PrintStream类型，默认状态对应于屏幕输出。

在System类里提供了如下三个重定向标准输入/输出的方法：

方法	作用
`static void setIn(InputStream in)`	重定向标准输入流
`static void setOut(PrintStream out)`	重定向标准输出流
`static void setErr(PrintStream err)`	重定向标准错误输出流

示例——一个方便的 API 把文本转换成基本类型或者String：

Scanner scanner = new Scanner(System.in);
int num = scanner.nextInt();

// Scanner还有如下方法：
// nextByte()
// nextDouble()
// nextFloat()
// nextInt()
// nextInt()
// nextLong()
// nextShort()

4.2 推回输入流：PushbackInputStream/PushbackReader

两个推回输入流提供了三个方法：

方法	作用
`void unread(int b)`	将一个字节/字符推回到推回缓冲区里，从而允许重复读取刚刚读取的内容
`void unread(byte[]/char[] buf)`	将一个字节/字符数组内容推回到推回缓冲区里，从而允许重复读取刚刚读取的内容
`void unread(byte[]/char[] b, int off, int len)`	将一个字节/字符数组里从`off`开始，长度为`len`字节/字符的内容推回到推回缓冲区里，从而允许重复读取刚刚读取的内容

两个推回输入流都带有一个推回缓冲区，当程序调用它们的unread()方法时，系统将会把指定数组的内容推回到该缓冲区里，而推回输入流每次调用read()方法时总是先从推回缓冲区读取，只有完全读取了推回缓冲区的内容，且还没有装满read()所需的数组时才会从原输入流中读取。

据上，当程序创建一个PushbackInputStream或PushbackReader时需要指定推回缓冲区的大小，默认的推回缓冲区的长度为1。如果程序中推回到推回缓冲区的内容超出了推回缓冲区的大小，将引发Pushback buffer overflow的IOException异常。

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