高级Java工程师必备 ----- 深入分析 Java IO

Posted 2022-02-13 java-chen-hao

概述

Java IO即Java 输入输出系统。不管我们编写何种应用，都难免和各种输入输出相关的媒介打交道，其实和媒介进行IO的过程是十分复杂的，这要考虑的因素特别多，比如我们要考虑和哪种媒介进行IO（文件、控制台、网络），我们还要考虑具体和它们的通信方式（顺序、随机、二进制、按字符、按字、按行等等）。Java类库的设计者通过设计大量的类来攻克这些难题，这些类就位于java.io包中。

在JDK1.4之后，为了提高Java IO的效率，Java又提供了一套新的IO，Java New IO简称Java NIO。它在标准java代码中提供了高速的面向块的IO操作。本篇文章重点介绍Java IO，关于Java NIO请参考我的另两篇文章： 

高级Java工程师必备 ----- 深入分析 Java IO （一）BIO

高级Java工程师必备 ----- 深入分析 Java IO （二）NIO

Java IO类库的框架

首先看个图：

 Java IO的类型

虽然java IO类库庞大，但总体来说其框架还是很清楚的。从是读媒介还是写媒介的维度看，Java IO可以分为：

1. 输入流：InputStream和Reader
2. 输出流：OutputStream和Writer

而从其处理流的类型的维度上看，Java IO又可以分为：

1. 字节流：InputStream和OutputStream
2. 字符流：Reader和Writer

下面这幅图就清晰的描述了JavaIO的分类：

-	字节流	字符流
输入流	InputStream	Reader
输出流	OutputStream	Writer

我们的程序需要通过InputStream或Reader从数据源读取数据，然后用OutputStream或者Writer将数据写入到目标媒介中。其中，InputStream和Reader与数据源相关联，OutputStream和writer与目标媒介相关联。

Java IO的基本用法

Java IO ：字节流

通过上面的介绍我们已经知道，字节流对应的类应该是InputStream和OutputStream，而在我们实际开发中，我们应该根据不同的媒介类型选用相应的子类来处理。下面我们就用字节流来操作文件媒介：

例1，用字节流写文件

public static void writeByteToFile() throws IOException
    String hello= new String( "hello word!");
     byte[] byteArray= hello.getBytes();
    File file= new File( "d:/test.txt");
     //因为是用字节流来写媒介，所以对应的是OutputStream 
     //又因为媒介对象是文件，所以用到子类是FileOutputStream
    OutputStream os= new FileOutputStream( file);
     os.write( byteArray);
     os.close();

例2，用字节流读文件

public static void readByteFromFile() throws IOException
    File file= new File( "d:/test.txt");
     byte[] byteArray= new byte[( int) file.length()];
     //因为是用字节流来读媒介，所以对应的是InputStream
     //又因为媒介对象是文件，所以用到子类是FileInputStream
    InputStream is= new FileInputStream( file);
     int size= is.read( byteArray);
    System. out.println( "大小:"+size +";内容:" +new String(byteArray));
     is.close();

CopyFileDemo

package com.chenhao.io.byteIO;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;

/**
 * @author ChenHao
 *
 */
public class CopyFileDemo 

    /**
     * @param args
     * @throws FileNotFoundException 
     */
    public static void main(String[] args) 
        String src ="E:/xp/test";
        String dest="e:/xp/test/4.jpg";
        try 
            copyFile(src,dest);
         catch (FileNotFoundException e) 
            e.printStackTrace();
            System.out.println("文件不存在");
         catch (IOException e) 
            e.printStackTrace();
            System.out.println("拷贝文件失败|关闭流失败");
        
    
    /**
     * 文件的拷贝
     * @param  源文件路径
     * @param  目录文件路径
     * @throws FileNotFoundException,IOException
     * @return 
     */
    public static void copyFile(String srcPath,String destPath) throws FileNotFoundException,IOException 
        //1、建立联系 源(存在且为文件) +目的地(文件可以不存在)  
        File src =new File(srcPath);
        File dest =new File(destPath);
        if(! src.isFile()) //不是文件或者为null
            System.out.println("只能拷贝文件");
            throw new IOException("只能拷贝文件");
        
        //2、选择流
        InputStream is =new FileInputStream(src);
        OutputStream os =new FileOutputStream(dest);
        //3、文件拷贝   循环+读取+写出
        byte[] flush =new byte[1024];
        int len =0;
        //读取
        while(-1!=(len=is.read(flush)))
            //写出
            os.write(flush, 0, len);
        
        os.flush(); //强制刷出
        
        //关闭流
        os.close();
        is.close();
    

Java IO ：字符流

同样，字符流对应的类应该是Reader和Writer。下面我们就用字符流来操作文件媒介:

例3，用字符流读文件

public static void writeCharToFile() throws IOException
    String hello= new String( "hello word!");
    File file= new File( "d:/test.txt");
    //因为是用字符流来读媒介，所以对应的是Writer，又因为媒介对象是文件，所以用到子类是FileWriter
    Writer os= new FileWriter( file);
    os.write( hello);
    os.close();

例4，用字符流写文件

public static void readCharFromFile() throws IOException
    File file= new File( "d:/test.txt");
    //因为是用字符流来读媒介，所以对应的是Reader
    //又因为媒介对象是文件，所以用到子类是FileReader
    Reader reader= new FileReader( file);
    char [] byteArray= new char[( int) file.length()];
    int size= reader.read( byteArray);
    System. out.println( "大小:"+size +";内容:" +new String(byteArray));
    reader.close();

Java IO ：字节流转换为字符流

字节流可以转换成字符流，java.io包中提供的InputStreamReader类就可以实现，当然从其命名上就可以看出它的作用。其实这涉及到另一个概念，IO流的组合，后面我们详细介绍。下面看一个简单的例子：

例5 ，字节流转换为字符流

public static void convertByteToChar() throws IOException
    File file= new File( "d:/test.txt");
    //获得一个字节流
    InputStream is= new FileInputStream( file);
    //把字节流转换为字符流，其实就是把字符流和字节流组合的结果。
    Reader reader= new InputStreamReader( is);
    char [] byteArray= new char[( int) file.length()];
    int size= reader.read( byteArray);
    System. out.println( "大小:"+size +";内容:" +new String(byteArray));
    is.close();
    reader.close();

Java IO：文件媒介操作

例6 ，File操作

public class FileDemo 
  public static void main(String[] args) 
         //检查文件是否存在
        File file = new File( "d:/test.txt");
         boolean fileExists = file.exists();
        System. out.println( fileExists);
         //创建文件目录,若父目录不存在则返回false
        File file2 = new File( "d:/fatherDir/subDir");
         boolean dirCreated = file2.mkdir();
        System. out.println( dirCreated);
         //创建文件目录,若父目录不存则连同父目录一起创建
        File file3 = new File( "d:/fatherDir/subDir2");
         boolean dirCreated2 = file3.mkdirs();
        System. out.println( dirCreated2);
        File file4= new File( "d:/test.txt");
         //判断长度
         long length = file4.length();
         //重命名文件
         boolean isRenamed = file4.renameTo( new File("d:/test2.txt"));
         //删除文件
         boolean isDeleted = file4.delete();
        File file5= new File( "d:/fatherDir/subDir");
         //是否是目录
         boolean isDirectory = file5.isDirectory();
         //列出文件名
        String[] fileNames = file5.list();
         //列出目录
        File[]   files = file4.listFiles();
  

随机读取File文件

通过上面的例子我们已经知道，我们可以用FileInputStream（文件字符流）或FileReader（文件字节流）来读文件，这两个类可以让我们分别以字符和字节的方式来读取文件内容，但是它们都有一个不足之处，就是只能从文件头开始读，然后读到文件结束。

但是有时候我们只希望读取文件的一部分，或者是说随机的读取文件，那么我们就可以利用RandomAccessFile。RandomAccessFile提供了seek()方法，用来定位将要读写文件的指针位置，我们也可以通过调用getFilePointer()方法来获取当前指针的位置，具体看下面的例子:

例7，随机读取文件

public static void randomAccessFileRead() throws IOException 
     // 创建一个RandomAccessFile对象
    RandomAccessFile file = new RandomAccessFile( "d:/test.txt", "rw");
     // 通过seek方法来移动读写位置的指针
     file.seek(10);
     // 获取当前指针
     long pointerBegin = file.getFilePointer();
     // 从当前指针开始读
     byte[] contents = new byte[1024];
     file.read( contents);
     long pointerEnd = file.getFilePointer();
    System. out.println( "pointerBegin:" + pointerBegin + "\\n" + "pointerEnd:" + pointerEnd + "\\n" + new String(contents));
     file.close();

例8，随机写入文件

public static void randomAccessFileWrite() throws IOException 
     // 创建一个RandomAccessFile对象
     RandomAccessFile file = new RandomAccessFile( "d:/test.txt", "rw");
     // 通过seek方法来移动读写位置的指针
     file.seek(10);
     // 获取当前指针
     long pointerBegin = file.getFilePointer();
     // 从当前指针位置开始写
     file.write( "HELLO WORD".getBytes());
     long pointerEnd = file.getFilePointer();
     System. out.println( "pointerBegin:" + pointerBegin + "\\n" + "pointerEnd:" + pointerEnd + "\\n" );
     file.close();

Java IO：BufferedInputStream和BufferedOutputStream

BufferedInputStream顾名思义，就是在对流进行写入时提供一个buffer来提高IO效率。在进行磁盘或网络IO时，原始的InputStream对数据读取的过程都是一个字节一个字节操作的，而BufferedInputStream在其内部提供了一个buffer，在读数据时，会一次读取一大块数据到buffer中，这样比单字节的操作效率要高的多，特别是进程磁盘IO和对大量数据进行读写的时候,能提升IO性能。

使用BufferedInputStream十分简单，只要把普通的输入流和BufferedInputStream组合到一起即可。我们把上面的例2改造成用BufferedInputStream进行读文件，请看下面例子：

例10 ，用缓冲流读文件

public static void readByBufferedInputStream() throws IOException 
     File file = new File( "d:/test.txt");
     byte[] byteArray = new byte[( int) file.length()];
     //可以在构造参数中传入buffer大小
     InputStream is = new BufferedInputStream( new FileInputStream(file),2*1024);
     int size = is.read( byteArray);
     System. out.println( "大小:" + size + ";内容:" + new String(byteArray));
     is.close();

BufferedOutputStream的情况和BufferedInputStream一致，在这里就不多做描述了。

copyFile

package com.chenhao.io.buffered;

import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.BufferedOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
/**
 * 字节流文件拷贝+缓冲流 ，提高性能
 * 缓冲流(节点流)
 * @author ChenHao
 *
 */
public class BufferedByteDemo 

    public static void main(String[] args) 
        String src ="E:/xp/test";
        String dest="e:/xp/test/4.jpg";
        try 
            copyFile(src,dest);
         catch (FileNotFoundException e) 
            e.printStackTrace();
            System.out.println("文件不存在");
         catch (IOException e) 
            e.printStackTrace();
            System.out.println("拷贝文件失败|关闭流失败");
        
    
    /**
     * 文件的拷贝
     * @param  源文件路径
     * @param  目录文件路径
     * @throws FileNotFoundException,IOException
     * @return 
     */
    public static void copyFile(String srcPath,String destPath) throws FileNotFoundException,IOException 
        //1、建立联系 源(存在且为文件) +目的地(文件可以不存在)  
        File src =new File(srcPath);
        File dest =new File(destPath);
        if(! src.isFile()) //不是文件或者为null
            System.out.println("只能拷贝文件");
            throw new IOException("只能拷贝文件");
        
        //2、选择流
        InputStream is =new BufferedInputStream(new FileInputStream(src));
        OutputStream os =new BufferedOutputStream( new FileOutputStream(dest));
        //3、文件拷贝   循环+读取+写出
        byte[] flush =new byte[1024];
        int len =0;
        //读取
        while(-1!=(len=is.read(flush)))
            //写出
            os.write(flush, 0, len);
        
        os.flush(); //强制刷出
        
        //关闭流
        os.close();
        is.close();
    

Java IO：BufferedReader和BufferedWriter

BufferedReader、BufferedWriter 的作用基本和BufferedInputStream、BufferedOutputStream一致，具体用法和原理都差不多 ，只不过一个是面向字符流一个是面向字节流。同样，我们将改造字符流中的例4，给其加上buffer功能，看例子：

public static void readByBufferedReader() throws IOException 
     File file = new File( "d:/test.txt");
     // 在字符流基础上用buffer流包装，也可以指定buffer的大小
     Reader reader = new BufferedReader( new FileReader(file),2*1024);
     char[] byteArray = new char[( int) file.length()];
     int size = reader.read( byteArray);
     System. out.println( "大小:" + size + ";内容:" + new String(byteArray));
     reader.close();

另外，BufferedReader提供一个readLine()可以方便地读取一行，而FileInputStream和FileReader只能读取一个字节或者一个字符，因此BufferedReader也被称为行读取器.

public static void keyIn() throws IOException 
 try (//InputStreamReader是从byte转成char的桥梁
      InputStreamReader reader = new InputStreamReader(System.in);
      //BufferedReader(Reader in)是char类型输入的包装类
      BufferedReader br = new BufferedReader(reader);) 
         
         String line = null;
         while ((line = br.readLine()) != null) 
             if (line.equals("exit")) 
                 //System.exit(1);
                 break;
             
             System.out.println(line);
         
      catch (IOException e) 
         e.printStackTrace();
     

Java IO: 序列化与ObjectInputStream、ObjectOutputStream

Serializable

如果你希望类能够序列化和反序列化，必须实现Serializable接口，就像所展示的ObjectInputStream和ObjectOutputStream例子一样。

ObjectInputStream

ObjectInputStream能够让你从输入流中读取Java对象，而不需要每次读取一个字节。你可以把InputStream包装到ObjectInputStream中，然后就可以从中读取对象了。代码如下：

ObjectInputStream input = new ObjectInputStream(new FileInputStream("object.data"));
MyClass object = (MyClass) input.readObject(); //etc.
input.close();

在这个例子中，你读取的对象必须是MyClass的一个实例，并且必须事先通过ObjectOutputStream序列化到“object.data”文件中。

在你序列化和反序列化一个对象之前，该对象的类必须实现了java.io.Serializable接口。

ObjectOutputStream

ObjectOutputStream能够让你把对象写入到输出流中，而不需要每次写入一个字节。你可以把OutputStream包装到ObjectOutputStream中，然后就可以把对象写入到该输出流中了。代码如下：

ObjectOutputStream output = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("object.data"));
MyClass object = new MyClass();  output.writeObject(object); //etc.
output.close();

例子中序列化的对象object现在可以从ObjectInputStream中读取了。

同样，在你序列化和反序列化一个对象之前，该对象的类必须实现了java.io.Serializable接口。