Java基础（四）-IO / NIO

2019-11-18 本文已影响0人 Stan_Z

在Java程序中，以“流”（stream）的方式对数据进行I/O操作。

一、流分类

大方向分：

类型
按数据流方向不同分	输入流	输出流
按功能不同分	节点流	处理流
按处理单位不同分	字节流	字符流

具体分：

注：直接套在数据源上获取数据的管道是节点流，节点流上套的其他的增强管道是处理流。

下面看一张完整的划分：

二、字节流

API：
InputStream 类

方法	解释
public abstract int read()	一个字节一个字节地读数据。费磁盘
public int read(byte b[])	以byte 数组位位单位来读取字节数据。相当于拿个桶舀水。
public int read(byte b[], int off, int len)	从第 off 位置读取 len 长度字节的数据放到 byte 数组中，以 -1 来判断是否读取结束。
public long skip(long n)	跳过指定个数的字节。
public int available()	返回可读的字节数量。
public void close()	读取完关闭流，释放资源。
public synchronized void mark(int readlimit)	标记读取位置，下次还可以从这里开始读取（使用前要看当前流是否支持，可以使用 markSupport() 方法判断）。
public synchronized void reset()	重置读取位置为上次 mark 标记的位置。
public boolean markSupported()	判断当前流是否支持标记流，和上面两个方法配套使用。

OutputStream 类

方法	解释
public abstract void write(int b)	写入一个字节，参数是一个 int 类型，对应上面的读方法，int 类型的 32 位，只有低 8 位才写入，高 24 位将舍弃。
public void write(byte b[])	以byte 数组为单位来写入字节数据。
public void write(byte b[], int off, int len)	将 byte 数组从 off 位置开始，len 长度的字节写入
public void flush()	强制刷新，将缓冲中的数据写入
public void close()	关闭输出流，流被关闭后就不能再输出数据了

问题1：为什么要使用flash？

flash把缓冲区的数据强行输出，主要用在IO中，即清空缓冲区数据，一般在读写流(stream)的时候，数据是先被读到了内存中，再把数据写到文件中，当你数据读完的时候不代表你的数据已经写完了，因为还有一部分有可能会留在内存这个缓冲区中。这时候如果你调用了close()方法关闭了读写流，那么这部分数据就会丢失，所以应该在关闭读写流之前先flush()。

问题2：为什么InputStream.read()读取一个byte却返回一个int呢？

从先从源码来看，read方法在java层经过IoBridge和LibCore,最终会JNI到native来实现，而native是c++实现的，返回的是unsigned byte，取值范围为[0~255]，在java中没有对应的类型,在java中byte范围是[-128-127],无符号范围是[0-127]，所以[128-255]只能由int来接收。
另外，在读取byte数据时，我们知道127+1 = -128(0111 1111 -> 1000 0000,首位是1表示负数，负数转int：先对各位取反，将其转换为十进制数，加上负号，再减去1即-128)，那么会有一种情况是连续8个1：1111 1111，按前面的计算公式，最终会转为-1，而-1表示读取结束，显然此时并没有读完，为了避免这种情况，需要将byte提升为int，即向前补0来避免此问题发生。

因此：
FileInputStream的read方法实际是在做类型提升（将byte提升为int），避免java byte无法对应[128-255]范围问题，避免-1问题。
FileOutputStream的write的方法实际在做类型强转(将int强转为byte)，只有低 8 位才写入，高 24 位将舍弃。

三、字符流

与字节流相比,字符流是按一个个字符来读写。适合文本文件的读写。
Reader 类

方法	解释
public int read(java.nio.CharBuffer target)	读取字节到字符缓存中
public int read()	读取单个字符
public int read(char cbuf[])	读取字符到指定的 char 数组中
abstract public int read(char cbuf[], int off, int len)	从 off 位置读取 len 长度的字符到 char 数组中
public long skip(long n)	跳过指定长度的字符数量
public boolean ready()	和上面的 available() 方法类似
public boolean markSupported()	判断当前流是否支持标记流
public void mark(int readAheadLimit)	标记读取位置，下次还可以从这里开始读取，使用前要看当前流是否支持，可以使用 markSupport() 方法判断
public void reset()	重置读取位置为上次 mark 标记的位置
abstract public void close()	关闭流释放相关资源

Writer 类

方法	解释
public void write(int c)	写入一个字符
public void write(char cbuf[])	以字符数组为单位写入
abstract public void write(char cbuf[], int off, int len)	从字符数组的 off 位置写入 len 数量的字符
public void write(String str)	写入一个字符串
public void write(String str, int off, int len)	从字符串的 off 位置写入 len 数量的字符
public Writer append(CharSequence csq)	追加写入一个字符序列
public Writer append(CharSequence csq, int start, int end)	追加写入一个字符序列的一部分，从 start 位置开始，end 位置结束
public Writer append(char c)	追加写入一个 16 位的字符
abstract public void flush()	强制刷新，将缓冲中的数据写入
abstract public void close()	关闭输出流，流被关闭后就不能再输出数据了

问题：一个字符是几个字节？

这个不同的编码格式有差别，索性就打印一下看：

汉字：
try {
   String str = "你";
   System.out.println("UTF-16:"+str.getBytes("UTF-16").length);
   System.out.println("UTF-8:"+str.getBytes("UTF-8").length);
   System.out.println("GBK:"+str.getBytes("GBK").length);
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
    e.printStackTrace();
}
结果：
UTF-16:4
UTF-8:3
GBK:2

英文字母：
try {
    String str = "A";
   System.out.println("UTF-16:"+str.getBytes("UTF-16").length);
   System.out.println("UTF-8:"+str.getBytes("UTF-8").length);
   System.out.println("GBK:"+str.getBytes("GBK").length);
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
    e.printStackTrace();
}
结果：
UTF-16:4
UTF-8:1
GBK:1

四、处理流

简单总结几个常用的处理流：

字节：

字节流转换为字符流：
InputStreamReader & OutputStreamWriter
字节管道加buff:
BufferedInputStream & BufferedOutputStream

字符：

字符管道加buff:
BufferedRead & BufferedWriter
PrintWriter
字符包装写PrintWriter 与 BufferedWriter区别：
- PrintWriter 可以接受更多类型的参数，在循环读的过程中，方便拓展写的内容，而BufferedWriter的write方法只能接受字符、字符数组和字符串；
- PrintWriter的println方法自动添加换行，BufferedWriter需要显示调用newLine方法；
- PrintWriter的方法不会抛异常，若关心异常，需要调用checkError方法看是否有异常发生；
- PrintWriter构造方法可指定参数，实现自动刷新缓存（autoflush）；
- BufferedWriter可以任意设定缓冲大小

个人感觉，PrintWriter比BufferedWriter更灵活，推荐使用PrintWriter。

五、代码案例

   /**
    * 字节流文件复制
    * @param oriFile
    * @param destFile
    */
   public static void byteCopy(File oriFile, File destFile) {
        if(oriFile == null || !oriFile.exists()){
            return;
       }
        FileInputStream fis = null;
       FileOutputStream fos = null;
       try {
            fis = new FileInputStream(oriFile);
           fos = new FileOutputStream(destFile, true);//第二个参数：是否追加写。
           byte[] bytes = new byte[1024];
           int len;
           StringBuilder sb = new StringBuilder();
           while ((len = fis.read(bytes)) != -1) {
                fos.write(bytes, 0, len);
               fos.flush();
           }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
       } finally {
            try {
                if (fos != null) {
                    fos.close();
               }
                if (fis != null) {
                    fis.close();
               }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
           }
    }
    }

    /**
    * 字符流文件复制
    * @param oriFile
    * @param destFile
    */
   public static void charCopy(File oriFile, File destFile) {
        if(oriFile == null || !oriFile.exists()){
            return;
       }
       FileReader fr = null;
       FileWriter fw = null;
       try {
           fr = new FileReader(oriFile);
           fw = new FileWriter(destFile, true);
           char[] chars = new char[1024];
           int len;
           while ((len = fr.read(chars)) != -1) {
                fw.write(chars, 0, len);
               System.out.println(String.valueOf(chars));
               fw.flush();
           }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
       } finally {
            try {
                if (fw != null) {
                    fw.close();
               }
                if (fr != null) {
                    fr.close();
               }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
           }
        }
    }

    /**
    * 字节流Buffered复制
    * @param oriFile
    * @param destFile
    */
   public static void bufferedByteCopy(File oriFile, File destFile) {
        if(oriFile == null || !oriFile.exists()){
            return;
       }
       BufferedInputStream bis = null;
       BufferedOutputStream bos = null;
       try {
           bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(oriFile));
           bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(destFile));
           int len;
           while ((len = bis.read()) != -1) {
               bos.write(len);
               System.out.print((char) len);
               bos.flush();
           }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
       } finally {
            try {
                if (bis != null) {
                    bis.close();
               }
                if (bos != null) {
                    bos.close();
               }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
           }
        }
    }

    /**
    * 字符流Buffered复制
    * @param oriFile
    * @param destFile
    */
   public static void bufferedCharCopy(File oriFile, File destFile) {
        if(oriFile == null || !oriFile.exists()){
            return;
       }
       BufferedReader br = null;
       BufferedWriter bw = null;
       try {
            br = new BufferedReader(new FileReader(oriFile));
           bw = new BufferedWriter(new FileWriter(destFile));
          //int len = 0;
         // while ((len = br.read()) != -1) {
         //                bw.write(len);
         //                System.out.print((char) len);
         //            }
           //有更高级的读法：
           String buffer;
           while ((buffer = br.readLine()) != null) { //一行行读，判断从-1变为null了
                bw.write(buffer);
               System.out.print(buffer);
               bw.flush();
           }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
       } finally {
            try {
                if (br != null) {
                    br.close();
               }
                if (bw != null) {
                    bw.close();
               }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
           }
        }
    }

    /**
    * 字符流换printWrite实现复制
    * @param oriFile
    * @param destFile
    */
   public static void printWriteCharCopy(File oriFile, File destFile) {
        if(oriFile == null || !oriFile.exists()){
            return;
       }
        BufferedReader br = null;
       PrintWriter pw = null;
       try {
            br = new BufferedReader(new FileReader(oriFile));
           pw = new PrintWriter(new FileWriter(destFile));
           String buffer;
           while ((buffer = br.readLine()) != null) {
               pw.print(buffer);
               System.out.print(buffer);
               pw.flush();
           }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
       } finally {
            try {
                if (br != null) {
                    br.close();
               }
                if (pw != null) {
                    pw.close();
               }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
           }
        }
    }

    /**
    * 写了一个相对比较万能的文件复制方法
    * @param oriFile
    * @param destFile
    * @param byByte
    * @param isAppend
    */
   public static void fileCopy(File oriFile, File destFile, boolean byByte, boolean isAppend) {
        if(oriFile == null || !oriFile.exists()){
            return;
       }
        try {
           FileInputStream fis = new FileInputStream(oriFile);
           FileOutputStream fos = new FileOutputStream(destFile, isAppend);//isAppend 追加
           if (byByte) {
                BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);
               BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fos);
               byte[] bytes = new byte[1024];
               int len;
               while ((len = bis.read(bytes)) != -1) {
                    bos.write(bytes, 0, len);
                   bos.flush();
               }
               bos.close();
               bis.close();
           } else {
                BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(fis));
               //PrintWriter 构造方法第二个参数：autoFlash
               PrintWriter pw = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(fos), true);
               String buffer;
               while ((buffer = br.readLine()) != null) {
                    pw.println(buffer);
               }
               pw.close();
               br.close();
           }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
       }
    }

六、byte[] 、char[] 、String相互转换

顺便总结下byte[] 、char[] 、String相互转换的API。

/**
* String 转 char[]
*/
public static char[] stringToCharArray(String str) {
    return str.toCharArray();
}

/**
* char[] 转 String
*/
public static String charArrayToString(char[] chars) {
    //return String.valueOf(chars);
   return new String(chars);
}

/**
* String 转 byte[]
*/
public static byte[] stringToByteArray(String str) throws Exception {
    return str.getBytes("UTF-8");
}

/**
* byte[] 转 String
*/
public static String byteArrayToString(byte[] bytes) {
    return new String(bytes);
}

/**
* byte[] 转 char[]
*/
public static char[] byteArrayToCharArray(byte[] bytes) {
   Charset cs = Charset.forName("UTF-8");
   ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
   bb.put(bytes);
   bb.flip();
   CharBuffer cb = cs.decode(bb);
   return cb.array();
}

/**
* char[] 转 byte[]
*/
public static byte[] charArrayToByteArray(char[] chars) {
   Charset cs = Charset.forName("UTF-8");
   CharBuffer cb = CharBuffer.allocate(chars.length);
   cb.put(chars);
   cb.flip();
   ByteBuffer bb = cs.encode(cb);
   return bb.array();
}

七、NIO

JDK 1.4后，Java提供了一个全新的IO API，即 Java New IO，特点是面向缓冲区，提供多路非阻塞式的IO操作。

核心组件：

通道（Channel）
缓冲区（Buffer）
选择器（Selectors）

详细介绍：

实例：实现文件复制

       // 设置输入源 & 输出地 = 文件
       String infile = “XXX";
       String outfile = “XXX";
       // 1. 获取数据源 和 目标传输地的输入输出流（此处以数据源 = 文件为例）
       FileInputStream fin = new FileInputStream(infile);
       FileOutputStream fout = new FileOutputStream(outfile);
       // 2. 获取数据源的输入输出通道
       FileChannel fcin = fin.getChannel();
       FileChannel fcout = fout.getChannel();
       // 3. 创建缓冲区对象
       ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(1024);
       while (true) {
           // 4. 从通道读取数据 & 写入到缓冲区
           // 注：若 以读取到该通道数据的末尾，则返回-1 
           int r = fcin.read(buff);
           if (r == -1) {
               break;
           }
           // 5. 传出数据准备：调用flip()方法 
           buff.flip();
           // 6. 从 Buffer 中读取数据 & 传出数据到通道
           fcout.write(buff);
           // 7. 重置缓冲区
           buff.clear();
         }
       }

与 Java IO区别：

NIO部分内容向Carson_Ho学习：https://www.jianshu.com/p/d30893c4d6bb