Java 中的 I/O 抽象

Posted 2021-02-15 rgbit

Table of Contents

1. 前言
2. 字节流
   1. 常用实现
3. 字符流
   1. 常用实现
4. 缓冲区
5. 各种字节流
6. 结语

前言

由于在接触 Java 之前使用的语言是 Python，所以在转到 Java 后对 Java 的 I/O 操作各种不习惯。

研究后发现 Java 的 I/O 模型和 Python 的基本上还是一样的，只是在接口的设计上有些区别，主要是为了符合 OOP 的思想吧。

这篇博客的主要内容便是和 Java I/O 相关的总结。

字节流

和 Python 一样，Java 中最底层的 I/O 接口处理的是 字节序列, 但是和 Python 中的文件对象一把梭不一样，Java 将输入和输出分别抽象为了两个对象。

处理输入流的 InputStream 和处理输出流的 OutputStream.

这两个类都是抽象类，因此具体的和输入输出相关的功能将由它们的子类实现，而它们则提供一些基本的接口：

• InputStream 提供的部分接口：

  方法	作用
  abstract int read()	读取一个字节，碰到输入流结尾时返回 -1
  int read(byte[] b)	将数据读入提供的字节数组，并返回实际读入的字节数，或者在碰到输入流结尾时返回 -1
  int read(byte[] b, int off, int len)	将数据读入提供的字节数组，并返回实际读入的字节数，或者在碰到输入流结尾时返回 -1，写入的范围由 off 和 len 指定

• OutputStream 提供的部分接口：

  方法	作用
  abstract void write()	写入一个字节的数据
  void write(byte[] b)	写入一个字节数组的数据
  void write(byte[] b, int off, int len)	写入字节数组的数据，数据范围由 off 和 len 指定
  void flush()	将缓存的数据全部写入目标

可以看到，抽象方法其实只有 read() 和 write(), 其他的方法会调用这两个方法，因此子类只需要提供这两个抽象方法的实现就可以了。

常用实现

Java 中字节流的具体实现很多，但最常用的应该就是和 文件 相关的了，因此在这里将它们列举出来：

• FileInputStream 的构造方法：

  构造方法	说明
  FileInputStream(FileDescriptor fdObj)	根据指定的文件描述符创建输入流
  FileInputStream(File file)	根据指定的文件对象创建输入流
  FileInputStream(String name)	根据指定的文件名称创建输入流

• FileOutputStream 的构造方法和 FileInputStream 的基本相同，不同的是多了两个存在布尔标志的构造方法：

  构造方法	说明
  FileOutputStream(File file, boolean append)	根据指定的文件对象创建输出流，布尔标志指定是否追加
  FileOutputStream(String name, boolean append)	根据指定的文件名称创建输出流，布尔标志指定是否追加

在之前学习 C 和 Python 的过程中便了解到 文件描述符 是一个很有用的东西，通过它可以实现一些很有用的功能。

在 Java 中获取文件描述符可以通过调用 FileInputStream 和 FileOutputStream 对象的 getFD() 方法完成，而标准输入输出的文件描述符则需要通过 FileDescriptor 的静态字段获取。

字符流

通过字节流可以完成很多 I/O 操作，但是如果连文本文件的处理都通过字节流来完成的话就太麻烦了。因此，为了解决这样的问题，
字符流便诞生了。

字符流 是对 字节流 的一层封装，在 Java 中通过 Reader 和 Writer 这两个抽象类来表示。

和 InputStream 和 OutputStream 一样，具体的功能将由它们的子类实现，而它们则提供一些基本的接口，这里列举出最基本的接口：

• Reader：

  方法	作用
  int read()	读取单个字符，返回值是该字符的码点，到达流的末尾就返回 -1

• Writer：

  方法	作用
  void write(int c)	写入单个字符
  void write(String str)	写入字符串
  abstract void flush()	将缓存的数据全部写入目标

需要注意的是，这里的 read() 方法和 write() 都不是抽象方法了，因为这两个方法实际上都是调用内部的 字节流 完成工作，因此，只需要相应的字节流实现基本的功能就足够了。

常用实现

Java 字符流实现中最常用的应该是 InputStreamReader 和 OutputStreamWriter 了，它们的构造方法如下：

Reader 构造方法	Writer 构造方法	说明
InputStreamReader(InputStream in)	OutputStreamWriter(OutputStream out)	根据默认编码创建字符流
InputStreamReader(InputStream in, Charset cs)	OutputStreamWriter(OutputStream out, Charset cs)	根据指定字符集创建字符流
InputStreamReader(InputStream in, CharsetDecoder dec)	OutputStreamWriter(OutputStream out, CharsetEncoder dec)	根据指定字符集解/编码器创建字符流
InputStreamReader(InputStream in, String charsetName)	OutputStreamWriter(OutputStream out, String charsetName)	根据指定字符集名称创建字符流

同时，针对文件操作，Java 提供了这两个类的子类 FileReader 和 FileWriter, 使用这两个类可以省略手动创建字节流的过程，具体内容可以查看相关文档。

缓冲区

I/O 操作的一个常识：频繁的 I/O 操作的效率是很低的，所以我们加一个缓冲区吧！

Java 中我们可以通过 BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream 为字节流添加缓冲区，通过 BufferedReader 和 BufferedWriter 为字符流添加缓冲区。

这样一来，一段经典的代码就成型了：

// 字节流 -> 字符流 -> 缓冲区
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(new FileInputStream("example.txt")));

很完美是不是！

各种字节流

虽然说最常用的字节流式文件字节流（大概），但是，输入输出的环境是复杂的，处理文件以外，其他的设备如内存、网络等都可能用到输入输出，
而且不同的条件下需要的功能还不一样。

字符流的需求相对来说较为统一，因此一般情况下 InputStreamReader 和 OutputStreamWriter 完全可以一统天下，但是对于 字节流 来说，Java 提供了各种各样的实现。

尤其是 FilterInputStream 和 FilterOutputStream 的子类，它们都有以输出/输出流作为参数的构造方法，因此，我们可以将不同的 Filter 组装起来，得到我们想要的功能。

这是除了 字节-字符-缓冲 以外让我觉得最 Beautiful 的设计，能够灵活的适应各种需求。

这些 Filter 的使用可以查看官方文档或者看看《Java 核心技术卷卷二》的 2.1.3 节，这是相当棒的功能。

结语

写完博客回头看，感觉质量有点差……

篇幅太少了，很多东西都没有说清楚，属于适合自己回顾的博客 @[email protected]

另外，很想吐槽的是：作为面向对象的语言，Java 内置的网络库居然没有将 请求 和 响应 这两个对象分开！！！

用起来各种不顺手……