教你如何理解JAVA的I/O类库

花括号MC(huakuohao-mc)：关注JAVA基础编程及大数据，注重经验分享及个人成长。

Java 的 I/O 流，说简单也简单，说复杂也复杂。复杂是因为进行一次常规的文件 I/O 操作通常要用到很多 I/O 基础类，这很容易让新手产生困惑。简单是因为它的设计思想其实很简单。只要理解了它的设计思想就很容易知道如何使用它们。

Java 的 I/O 类库最基本的思想就是流的概念。你可以把它类比成水流，我们把数据从一个地方搬运到另一个地方就是一次 I/O 操作。比如读取文件 'A' 的内容，存入文件 'B' 就是一次文件 I/O 操作; 通过监听键盘输入，然后将内容存储到磁盘上也是一次 I/O 操作; 当然通过网络带宽把服务器 'A' 的内容发送到 'B' 服务也叫做一次 I/O 操作。

Java 的 I/O 流分为 输入流 和 输出流 。跟读相关的都叫输入流，跟写相关的都叫输出流。 Java 的 I/O 不光分为输入流跟输出流，按照流的性质还分为 字节流 和 字符流 。所有继承自抽象类 InputStream 和 OutPutStream 的流都是字节流，所有继承自抽象类 Reader 和 Writer 的流都是字符流。这两种不同性质的流都能进行 I/O 操作。

为什么要分为字节流跟字符流。

所谓的字节流，就是里面流淌的都是字节，也就 byte 。字符流呢，里面流淌的就是字符，也就是 char 。字符是由字节通过特定的编码组成的，比如 GBK 编码， ASCII 编码等等。同样的字节，使用不同的编码得到的内容可能不一样，这也就是编程中经常遇到的乱码问题。关于字符编码问题，这里不做深入展开，后续有机会可以单独写一下。

JDK最开始支持的都是字节流，因为计算机就认字节。但是计算机是为人服务的，我们更喜欢看字符，比如‘A’，‘B’，‘C’，‘中’，‘国’，这些都叫字符。如果我们每次按字节 I/O 读取内容，然后在展示出来，是需要做编码转化的，所以为了方便程序员使用，JDK增加了字符流的相关类库，JDK底层帮我们完成转换工作。

新的字符类库继承体系相比于老的字节流继承体系，有如下增强，支持国际化也就是支持16位的 Unicode 字符，老的I/O流仅支持8位的的字节流，而且在性能上也会有一定提升。在进行 I/O操作的时候，应该优先使用字符流，当字符流不能满足我们的时候，才转化到字节流，比如进行GZIP操作的时候，就需要使用字节流。

字节流I/O

先来认识一下字节流的 I/O 类库。

所有的跟输入相关的字节流都继承自抽象类 InputStream 。它有几个比较常用的直接子类，每个直接子类代表了一个数据源，比如 ByteArrayInputStream 表示将内存缓冲区中的字节数组当作输入源。 StringBufferInputStream 表示将 String 对象作为输入源，现在已经不推荐使用了，推荐使用 StringReader 读取 String 对象。后面介绍字符流的时候还会说到这个类。 FileInputStream 表示将文件作为数据源，这也是大家平时用的比较多的。

这些类的继承关系大概是这个样子

其中标红的直接子类 FilterInputStream 比较特殊。要想理解这个类存在的意义，需要对 装饰者模式 有一定了解。

俗话说的好，光说不练假把式，下面来看个小例子，看看如何进行字节流的文件 I/O 操作。

 1try {
 2         //打开输入流
 3         InputStream in = new FileInputStream(new File("test-io.tmp"));
 4         //打开输入流
 5         OutputStream out = new FileOutputStream(new File("test-io.md"));
 6         int length;
 7         byte[] buffer = new byte[1024];
 8         //输入流不断的读取，每次读取1024字节，直到文件末尾。
 9         while ((length = in.read(buffer)) != -1) {
10              out.write(buffer,0,length);
11         }
12         in.close();
13         out.close();
14     } catch (FileNotFoundException e) {
15         e.printStackTrace();
16     } catch (IOException e) {
17         e.printStackTrace();
18     }

在真正的项目中很少看到这样的 I/O 操作，因为效率比较低。都2020年了，要是还进行非缓冲的 I/O 操作，估计会被同行狠狠的鄙视。我们针对上面的例子做一个小小的改动，使其变成带缓冲功能的 I/O 操作。主要的类就是 BufferedInputStream .

看代码

 1try {
 2    InputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream(new File("test-io.tmp")));
 3    OutputStream out = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(new File("test-buffer-io.md")));
 4    int lenght;
 5    byte[] buffer = new byte[1024];
 6    while ((lenght = in.read(buffer)) != -1){
 7        out.write(buffer,0,lenght);
 8    }
 9    in.close();
10    out.close();
11    } catch (FileNotFoundException e) {
12       e.printStackTrace();
13    } catch (IOException e) {
14       e.printStackTrace();
15    }

装饰者模式的应用

上面这段带缓存功能的 I/O 操作跟不带缓存的 I/O 操作唯一的区别就是把 FileInputStream用 BufferedInputStream 给包装（装饰）了一下。下面看一下 BufferedInputStream 的继承关系。

FileterInputStream ：JDK官方文档是这样介绍这个类的。

把一个真正的带有数据源的输入流包装进来，并为其提供格外的功能，这个额外的功能要其子类去实现。

这是典型的装饰者模式。

大家可能会问，为什么不能直接让 BufferedInputStream 继承自 FileInputStream ,而偏偏引入个装饰者模式呢。

我们假设让 BufferedInputStream 继承自 FileInputStream ，那么当需要对 ByteArrayInputStream 进行缓存读取的时候自然也需要在实现一个 ByteBufferedInputStram ,这样类库就会变得异常复杂跟臃肿。这也是装饰者模式比继承的方式更灵活的地方。如果你还是一头雾水的话，建议去深入的理解一下装饰者模式吧。

字节流的 I/O 操作基本就这样了，下面看一下字符流。

字符流I/O

所有跟输入相关的字符流都继承自抽象类 Reader ，跟输出相关的都继承自抽象类 Writer 。

我们先看个小例子，假设不使用字符流而是使用字节流读取文件内容，然后将内容输出到控制台，看看应该怎样操作。

 1public static void readFileStreamToChar(){
 2        /**
 3         * UTF-8编码英文字符占一个字节，
 4         * 数字占一个字节，
 5         * 有的汉字占三个字节，有的占用四个字节。
 6         * 拉丁文，希腊文占两个字节。
 7         */
 8
 9        try {
10            InputStream in = new FileInputStream(new File("test-io.tmp"));
11            int length;
12            byte[] buffer = new byte[4];
13            while ((length = in.read(buffer)) != -1) {
14                System.out.println("the length of bytes is " + length);
15                //编码转化
16                String content = new String(buffer, 0, length, Charset.forName("utf-8"));
17                System.out.println("the content is " + content);
18            }
19            in.close();
20        } catch (FileNotFoundException e) {
21            e.printStackTrace();
22        } catch (IOException e) {
23            e.printStackTrace();
24        }
25    }

输出结果

1the length of bytes is 4
2the content is word
3the length of bytes is 4
4the content is
5世
6the length of bytes is 3
7the content is 界

说明： test-io.tmp 里面的内容为两行，第一行内容是'word' （没拼错,故意找的这个单词）,第二行内容是'世界'

从代码中可以看到，将内容输出到控制台的时候必须进行编码转换。大家可以尝试把 buffer的大小调整为2个字节看一下效果。懒得尝试的同学，就别试了，结论是中文字符会乱码，原因我已经在代码注释中说了，一个中文字符占三个字节。

假设JDK只提供基于字节流操作，那么每次都要进行字节到字符的转换操作，很麻烦，所以JDK就直接提供了字符流的操作。

下面来具体看看字符流类库的设计，我们还是以输入流举例，因为输出流跟输入流是一一对应关系。

抽象类 Reader 同样有几个比较常用的直接子类。

BufferedReader ：带缓冲功能的字符流，用的比较多。

CharArrayReader ：跟 ByteArrayInputStream 对应，读取内存中的字符数组。

StringReader ：跟 StringBufferInputStream 对应，读取 String 对象，这是读取 String 对象的推荐用法。

Reader 有个比较特殊的直接子类，就是 InputStreamReader 。这是个适配器，可以把字节流转换为字符流。 FileReader 就继承自该类, FileReader 跟字节流的 FileInputStream 对应，表示从文件读取字符。

下面来看简单看一下类的继承关系。

了解完类的继承关系之后，我们看个小例子，看看如何使用字符流的方式读取文件内容。注意我注释掉的代码。

 1try {
 2
 3            //通过 InputStreamReader 适配器，将字节流FileInputStream按照制定的编码方式转换为字符流
 4            // BufferedReader in = new BufferedReader(
 5            //        new InputStreamReader(
 6            //                new FileInputStream(
 7            //                        new File("test-io.tmp")), "utf-8"));
 8
 9            //不直接使用适配器，使用FileReader,将使用系统默认的编码
10            BufferedReader in = new BufferedReader(new FileReader(new File("test-io.tmp")));
11            String s;
12            StringBuilder sb = new StringBuilder();
13
14            //按字符读
15            int value;
16            while ((value = in.read()) != -1) {
17                char c = (char) value;
18                System.out.println(c);
19            }
20
21            //按行读取
22            //while ((s = in.readLine()) != null){
23            //    sb.append(s);
24            //}
25            //System.out.println(sb.toString());
26            in.close();
27        } catch (FileNotFoundException e) {
28            e.printStackTrace();
29        } catch (IOException e) {
30            e.printStackTrace();
31        }
32}

Java的普通 I/O 就介绍到这里了。Java的 I/O 类库用到了两个经典设计模式，装饰器跟适配器。如果想更深入的理解Java I/O 类库除了多读源码外（感兴趣的读者可以去看看底层源码，JDK如何实现字节到字符的转换的）还需要深入的理解设计模式。

希望这篇文章对你理解Java I/O 有一定帮助，下一篇打算写一下Java的NIO。