Java中-I/O

I/O

I/O流(Input/Output Stream)是Java编程语言中用于处理输入输出操作的一种机制。本文档旨在介绍Java I/O流的基本概念、分类、使用方法以及注意事项,帮助开发者更好地理解和运用I/O流进行文件操作。

[Java IO 流了解吗?](#Java IO 流了解吗?)

IO 即 Input/Output,输入和输出。数据输入到计算机内存的过程即输入,反之输出到外部存储(比如数据库,文件,远程主机)的过程即输出。数据传输过程类似于水流,因此称为 IO 流。IO 流在 Java 中分为输入流和输出流,而根据数据的处理方式又分为字节流和字符流。

Java IO 流的 40 多个类都是从如下 4 个抽象类基类中派生出来的。

  • InputStream/Reader: 所有的输入流的基类,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。

[I/O 流为什么要分为字节流和字符流呢?](#I/O 流为什么要分为字节流和字符流呢?)

问题本质想问:不管是文件读写还是网络发送接收,信息的最小存储单元都是字节,那为什么 I/O 流操作要分为字节流操作和字符流操作呢?

个人认为主要有两点原因:

  • 字符流是由 Java 虚拟机将字节转换得到的,这个过程还算是比较耗时;
  • 如果我们不知道编码类型的话,使用字节流的过程中很容易出现乱码问题。

Java I0 中的设计模式有哪些?

装饰器模式

装饰器(Decorator)模式 可以在不改变原有对象的情况下拓展其功能。

装饰器模式通过组合替代继承来扩展原始类的功能,在一些继承关系比较复杂的场景(IO 这一场景各种类的继承关系就比较复杂)更加实用。

对于字节流来说, FilterInputStream (对应输入流)和FilterOutputStream(对应输出流)是装饰器模式的核心,分别用于增强 InputStreamOutputStream子类对象的功能。

我们常见的BufferedInputStream(字节缓冲输入流)、DataInputStream 等等都是FilterInputStream 的子类,BufferedOutputStream(字节缓冲输出流)、DataOutputStream等等都是FilterOutputStream的子类。

举个例子,我们可以通过 BufferedInputStream(字节缓冲输入流)来增强 FileInputStream 的功能。

BufferedInputStream 构造函数如下:

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];
}

可以看出,BufferedInputStream 的构造函数其中的一个参数就是 InputStream

BufferedInputStream 代码示例:

try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("input.txt"))) {
    int content;
    long skip = bis.skip(2);
    while ((content = bis.read()) != -1) {
        System.out.print((char) content);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

这个时候,你可以会想了:为啥我们直接不弄一个BufferedFileInputStream(字符缓冲文件输入流)呢?

BufferedFileInputStream bfis = new BufferedFileInputStream("input.txt");

如果 InputStream的子类比较少的话,这样做是没问题的。不过, InputStream的子类实在太多,继承关系也太复杂了。如果我们为每一个子类都定制一个对应的缓冲输入流,那岂不是太麻烦了。

如果你对 IO 流比较熟悉的话,你会发现ZipInputStreamZipOutputStream 还可以分别增强 BufferedInputStreamBufferedOutputStream 的能力。

BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(fileName));
ZipInputStream zis = new ZipInputStream(bis);

BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(fileName));
ZipOutputStream zipOut = new ZipOutputStream(bos);

ZipInputStreamZipOutputStream 分别继承自InflaterInputStreamDeflaterOutputStream

public
class InflaterInputStream extends FilterInputStream {
}

public
class DeflaterOutputStream extends FilterOutputStream {
}

这也是装饰器模式很重要的一个特征,那就是可以对原始类嵌套使用多个装饰器。

为了实现这一效果,装饰器类需要跟原始类继承相同的抽象类或者实现相同的接口。上面介绍到的这些 IO 相关的装饰类和原始类共同的父类是 InputStreamOutputStream

对于字符流来说,BufferedReader 可以用来增加 Reader (字符输入流)子类的功能,BufferedWriter 可以用来增加 Writer (字符输出流)子类的功能。

IO 流中的装饰器模式应用的例子实在是太多了,不需要特意记忆,完全没必要哈!搞清了装饰器模式的核心之后,你在使用的时候自然就会知道哪些地方运用到了装饰器模式。

适配器模式

适配器(Adapter Pattern)模式 主要用于接口互不兼容的类的协调工作,你可以将其联想到我们日常经常使用的电源适配器。

适配器模式中存在被适配的对象或者类称为 适配者(Adaptee) ,作用于适配者的对象或者类称为适配器(Adapter) 。适配器分为对象适配器和类适配器。类适配器使用继承关系来实现,对象适配器使用组合关系来实现。

IO 流中的字符流和字节流的接口不同,它们之间可以协调工作就是基于适配器模式来做的,更准确点来说是对象适配器。通过适配器,我们可以将字节流对象适配成一个字符流对象,这样我们可以直接通过字节流对象来读取或者写入字符数据。

InputStreamReaderOutputStreamWriter 就是两个适配器(Adapter), 同时,它们两个也是字节流和字符流之间的桥梁。InputStreamReader 使用 StreamDecoder (流解码器)对字节进行解码,实现字节流到字符流的转换, OutputStreamWriter 使用StreamEncoder(流编码器)对字符进行编码,实现字符流到字节流的转换。

InputStreamOutputStream 的子类是被适配者, InputStreamReaderOutputStreamWriter是适配器。

注意事项

  1. 使用I/O流时,务必注意异常处理,避免程序因异常而终止。

  2. 使用完I/O流后,及时关闭流,释放系统资源。

  3. 字节流和字符流不能混用,否则可能导致数据读写错误。

  4. 在处理大文件时,考虑使用缓冲流(BufferedInputStream、BufferedOutputStream、BufferedReader、BufferedWriter)提高读写效率。

  5. 使用I/O流进行文件操作时,注意文件权限和路径问题。

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