Java I/O系統學習系列二：輸入和輸出

　　編程語言的I/O類庫中常使用流這個抽象概念，它表明任何有能力產出數據的數據源對象或者是有能力接收數據的接收端對象。「流」屏蔽了實際的I/O設備中處理數據的細節。

　　在這個系列的第一篇文章：<<Java I/O系統學習系列一：File和RandomAccessFile>>中，咱們講到RandomAccessFile能夠寫入和讀取文件，具有I/O功能，可是其只能針對文件，而I/O還涉及到不少其餘場景好比網絡、讀取內存中的字符串等，因此Java類庫中提供了一系列的類庫來對其進行支持，也就是本文要總結學習的。

　　Java類庫中的I/O類分紅輸入和輸出兩部分，能夠在JDK文檔裏的類層次結構中查看到。經過繼承，任何自Inputstream或Reader派生而來的類都含有名爲read()的基本方法，用於讀取單個字節或者字節數組。一樣，任何自OutputStream或Writer派生而來的類都含有名爲write()的基本方法，用於寫單個字節或者字節數組。可是，咱們一般不會用到這些方法，它們之因此存在是由於別的類可使用它們，以便提供更有用的接口。所以，咱們不多使用單一的類來建立流對象，而是經過疊合多個對象來提供所指望的功能(這是裝飾器設計模式的應用，也有專門寫文總結過：裝飾器模式)。實際上，Java中「流」類庫讓人迷惑的主要緣由就在於：建立單一的結果流，卻須要建立多個對象。

　　I/O須要應對的場景每每是多樣化的，Java類庫的設計者則是經過建立大量的類來解決這個難題，區區一篇文章難以詳述，本文也只是盡力對傳統I/O類庫所涉及到的類提供一個總覽，在把握整個脈絡的前提下才能更好的理解並應用I/O類庫來解決實際編程問題。如需涉及到細節，仍是須要參考JDK文檔。

　　輸入輸出主要是字符流和字節流，本文主要從以下幾個方面總結：

　　InputStream/OutputStream

　　Reader/Writer

　　總結

 

 

1. InputStream/OutputStream

　　Java 1.0中，類庫的設計者首先限定與輸入有關的全部類都應該從InputStream繼承，而與輸出有關的全部類都應該從OutputStream繼承。

1.1 InputStream

　　InputStream的做用是用來表示那些從不一樣數據源產生輸入的類。這些數據源包括：

• 字節數組；
• String對象；
• 文件；
• 「管道」,工做方式與實際管道類似，即從一端輸入，從另外一端輸出；
• 一個由其餘種類的流組成的序列，以便咱們能夠將它們收集合併到一個流內；
• 其餘數據源，如Internet鏈接等；

 　　每一種數據源都有相應的InputStream子類，做爲基礎構件：

• ByteArrayInputStream，容許將內存的緩衝區看成InputStream使用；
• StringBufferInputStream，將String轉換成InputStream；
• FileInputStream，用於從文件中讀取信息；
• PipedInputStream，產生用於寫入相關PipedOutputStream的數據。實現「管道化」概念；
• SequenceInputStream，將兩個或多個InputStream對象轉換成單一InputStream；

1.2 OutputStream

　　OutputStream的做用是表示那些能夠輸出到不一樣數據源的類，其具體的子類決定了輸出所要去往的目標：字節數組、文件或管道，一樣是做爲基礎構件：

• ByteArrayOutputStream，在內存中建立緩衝區。全部送往「流」的數據都要放置在此緩衝區；
• FileOutputStream，用於將信息寫至文件；
• PipedOutputStream，任何寫入其中的信息都會自動做爲相關PipedInputStream的輸出，實現「管道化」概念；

1.3 裝飾器

　　除了有上面的基礎構件，還有兩個子類：FilterInputStream/FilterOutputStream，也是InputStream和OutputStream的子類，它們爲「裝飾器」(decorator)類提供基類，其中，「裝飾器」類能夠把屬性或有用的接口與基礎構件鏈接在一塊兒。由於上面提到的InputStream/OutputStream是單字節爲單位來操做的，而真實的I/O場景遠不止於此，因此就經過「裝飾」(其原理是類之間的組合)的方式來擴展其功能。

　　我本身梳理了一下InputStream/OutputStream流繼承層次結構，結合下面的解釋來看能夠對字節流體系有一個更清晰的認識：

1.3.1 FilterInputStream

　　FilterInputStream類主要有以下子類，也就是具體裝飾器：

• DataInputStream；
• BufferedInputStream；
• LineNumberInputStream；

　　其提供的裝飾功能主要在兩個方面：

• 讀取不一樣的基本類型數據以及String對象，好比DataInputStream；

• 在內部修改InputStream的行爲方式：是否緩衝、是否保留它所讀過的行，如BuffereInputStream、LineNumberInputStream；

1.3.2 FilterOutputStream

　　與FilterInputStream相似，FilterOutputStream主要是完成寫入的功能，主要有以下裝飾器：

• DataOutputStream，與DataInputStream搭配使用，所以能夠按照可移植方式向流中寫入基本類型數據(int、char、long)；
• PrintStream，用於產生格式化輸出。其中DataOutputStream處理數據的存儲，PrintStream處理顯示；
• BufferedOutputStream，使用它以免每次發送數據時都要進行實際的寫操做。表明「使用緩衝區」。能夠調用flush()清空緩衝區；

 　　

2. Writer/Reader

　　InputStream和OutputStream是提供面向字節形式的I/O，可是InputStream/OutputStream流繼承層次結構僅支持8位字節流，而且不能很好地處理16位的Unicode字符。因爲Unicode用於字符國際化(Java自己的char也是16位的Unicode)，因此添加Reader/Writer繼承層次結構就是爲了在全部的I/O操做中都支持Unicode。

　　幾乎全部原始的Java I/O流類都有相應的Reader和Writer類來提供自然的Unicode操做，咱們能夠對比一下：

　　咱們發現大致上，這兩個不一樣的繼承層次結構中的接口即便不能徹底相同，可是也是很是類似的。

　　對於InputStream和OutputStream來講，咱們會使用FilterInputStream和FilterOutputStream的裝飾器子類來修改「流」以知足特殊須要。Reader/Writer的類繼承層次結構繼續沿用相同的思想，可是又並不徹底採用上面說到的裝飾器模式。以下是本身梳理的Reader/Writer繼承層次結構：

　　與前面的I/O繼承層次結構圖相對比能夠發現，儘管BufferedOutputStream是FilterOutputStream的子類，可是BufferedWriter並非FilterWriter的子類(FilterWriter是抽象類，可是沒有任何子類，僅僅是做爲一個佔位符)。

2.1 適配器

　　有時咱們必須把來自於「字節」層次結構中的類和「字符」層次結構中的類結合起來使用。爲了實現這個目的，要用到「適配器」(adapter)類：InputStreamReader能夠把InputStream轉換爲Reader，而OutputStreamWriter能夠把OutputStream轉換爲Writer。

　　

3. 總結

• I/O須要應對的場景每每是多樣化的，Java類庫的設計者經過建立大量的類來解決這個難題，在實際使用中，經過裝飾器模式避免「類爆炸」，但類的數量仍是很多，這也是Java中「流」類庫讓人迷惑的主要緣由；
• InputStream和OutputStream是提供面向字節形式的I/O，而Reader和Writer則提供兼容Unicode與面向字符的IO功能；
• 若是須要把字節流和字符流結合起來使用，可使用適配器進行轉換，InputStreamReader能夠把InputStream轉換爲Reader，而OutputStreamWriter能夠把OutputStream轉換爲Writer；

 　　本文主要是梳理了傳統I/O流的類繼承層次結構，包括字節流(InputStream/OutputStream)和字符流(Writer/Reader)，並無一開始就一頭扎進I/O類庫的海洋中，主要是但願經過這種方式可以對整個I/O體系有一個清晰的認識，這對於進一步的學習能夠有更明確的指導做用，下文會針對一些I/O的的典型使用方式進行總結。