流(stream)是怎麼一回事

—— 對這個問題的思考來源於前幾天對 Java Socket 編程的嘗試，TCP 協議要求創建一個 Socket 鏈接（著名的三次握手）以後才能進行通訊，而鏈接雙方進行數據的發送與接受，都是經過對輸入輸出流的機制來完成的。

流的概念

流做爲概念應該是語言無關的。文件IO流，Unix系統標準輸入輸出流，標準錯誤流(stdin, stdout, stderr)，還有一開始提到的 TCP 流，還有一些 Web 後臺技術（如Nodejs）對HTTP請求/響應流的抽象，均可以見到流的概念。

K&R 在 C Programming Language 書中提到流是這樣定義的：

流 (stream) 是與磁盤或其它外圍設備關聯的數據的源或目的地。

能夠把流理解成是對程序與外界交換數據的一種抽象，這裏的外界限定是有必要的，一般不會把程序內部的數據流動抽象爲流，畢竟在程序內部，數據流動是由函數調用、返回來完成的。而當咱們使用三個標準IO流時，咱們關心的是怎樣經過它們與外界交互；當咱們使用文件流時，咱們關心的是將內存中的數據持久化到磁盤文件中（或從磁盤中讀數據導內存）。

因而數據從 A 處「流」向 B 處，能夠類比像水流同樣從高處流向低處。在水流動的過程當中，做爲最基本物理組成單位的水分子是不變的，相應的數據流也有它最小的組成單位。在不一樣的編程語言中，這個最小單位一般是字節流（二進制流）中的字節，或者字符流（文本流）中的字符。

——但不會是其餘數據類型，就像咱們歷來沒據說過數字流？，或者浮點數流，甚至數組流？

由於字節是計算機保存數據的最終形式，而字符是其它數據結構序列化後的表現形式，也是人能夠閱讀的形式。與外界的交互須要這些通用的格式。不關心數據的內容，只須要完整地傳輸原始數據時，考慮字節流便可；關心傳輸字符和字符串時，就須要對字符流進行操做，stdio.h頭文件裏那一大坨輸入輸出函數就是幹這個的。好比fgetc(FILE *stream)從文本流中讀入一個字符。

另外一方面，根據數據流動的方向，能夠再抽象出輸出流和輸入流的概念。從程序內部到外部的流向是輸出流，從程序外部到內部的流向是輸入流。

C 語言的stdio.h庫中定義了打開文件流時必須指定的集中打開方式，"r"表示用於讀取，"w"用於寫入，"r+"用於讀寫。相似地，Java 語言的java.io包中包含了InputStream, OutputStream 明確區分的輸入流類和輸出流類，而且兩者都是抽象類，意味着必須根據須要使用它們各自的子類進行實例化。

經過流操做實現（最）簡單的文件拷貝

根據實際的代碼能夠幫助理解stream，下面是一段用C語言標準庫實現的最簡單的文件拷貝功能。

出於學習目的，這段代碼偷懶沒有任何容錯功能，是典型的反面教材, 不過 whatever 了，不信你真拿去編譯一下，是真的能夠完整拷貝文件！除了不能拷貝目錄，不能拷貝不存在的文件，不能拷貝文件權限，不能漏掉目的文件名或者路徑，不能靈活處理文件軟連接硬連接。等等等等blahblah（因此其實連看上去很簡單的cp程序也是要有一大坨因素要考慮和支持的（啊跑題了

// mini_cp.c
#include <stdio.h>
#define BUFFER_SIZE 512

int main(int argc, char *argv[])
{ 
  // 從命令行參數中得到 SOURCE 和 DES 文件流
  FILE *src = fopen(argv[1], "rb");
  FILE *des = fopen(argv[2], "wb");
  
  long int num;
  
  // buffer 是讀寫的緩衝數組
  char buffer[BUFFER_SIZE];

  while(!feof(src)) {
    num = fread(buffer, sizeof(char), BUFFER_SIZE, src);
    fwrite(buffer, sizeof(char), num, des);
  }

  fclose(src);
  fclose(des);

  return 0;
}

這個自制的mini_cp程序不難理解，核心的邏輯能夠分解爲三個步驟：

• 打開源文件流FILE *src和目的文件流FILE *des

• 循環執行 { 每次從src流讀取最多512字節的數據 => 並寫入des流 } 直到源文件讀取結束

• 關閉文件流

核心邏輯是很是清晰明瞭的，這樣的邏輯也是流操做的廣泛原理，嘗試其餘語言的實現，其實都已經大同小異，每每都少不了一個緩衝區的概念（或對象）。

來看一下 Java 版本的同等實現：

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

public class Copy {
    
    private static final int BUFFER_SIZE = 512;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        
        File srcFile = new File(args[0]);
        File desFile = new File(args[1]);

        int recvBytesSize;
        byte[] buffer = new byte[BUFFER_SIZE];

        FileInputStream in = new FileInputStream(srcFile);
        FileOutputStream out = new FileOutputStream(desFile);

        while((recvBytesSize = in.read(buffer)) != -1) {
            out.write(buffer, 0, recvBytesSize);
        }

        in.close();
        out.close();

    }
}

面向對象味更濃（代碼更冗長）了有木有？但也正是由於面向對象，Java 把理論上的 stream 抽象爲類，讓咱們直接得到類的實例（即對象），從而對對象進行操做。仍是挺不賴的是吧，雖然代碼更長了沒錯，可是更 OO 啊～

寫到這裏已經能回答流基本是怎麼一回事了，那麼最後順便再來放一段拷貝程序的ruby實現；

require 'fileutils'
FileUtils.cp('SOURCE.txt', 'DEST.txt')

• 哈？

• 嗯。

... That's why we love Ruby...（逃。。。