從設計者的角度理解Java IO流

一、基本概念

1.一、InputStream

最基本的字節輸入流，抽象類，定義了讀取原始字節的全部基本方法
1.1.一、public abstract int read() throws IOException 讀取一個字節的方法，最基礎的方法
1.1.二、public int read(byte b[], int off, int len) 讀取指定長度的字節到字節數組，基於方法1.1.1
1.1.三、public int read(byte b[]) throws IOException 讀取一個數組那麼多的字節，基於 方法1.1.2
1.1.四、public long skip(long n) throws IOException 跳過必定字節數，用到的比較少
1.1.五、public int available() throws IOException 返回能夠讀取的最少字節數，用到的比較少
1.1.六、mark(int readlimit)、void reset()和markSupported()這三個方法，並非每一個子類都支持，這裏設計得不合理，徹底能夠把這三個方法遷移到一個新的接口中去。
1.1.七、public void close() throws IOException 關閉輸入流

1.二、OutputStream

最基本的字節輸出流，抽象類，定義了寫入原始字節的全部基本方法
1.2.一、public abstract void write(int b) throws IOException 寫入一個字節，最基礎的方法
1.2.二、public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException 將一個字節數組中的部分字節寫入，基於方法1.2.1
1.2.三、public void write(byte b[]) throws IOException 將一個字節數組寫入，基於方法1.2.2
1.2.四、public void close() throws IOException 關閉輸出流
1.2.五、public void flush() throws IOException 刷新輸出流

點評：InputStream和OutputStream定義了I/O領域最基礎的行爲，也就是讀取和寫入一個字節，同時使用了模板方法將讀取和寫入的行爲進行了適當擴展。

二、擴展點一：對I/O流的繼承

有了抽象類，就必定會有子類。針對不一樣的數據來源，InputStream和OutputStream存在三種子類：一種是基於內存的ByteArrayInputStream/ByteArrayOutputStream，一種是基於磁盤文件的FileInputStream/FileOutputStream，還有一種是基於網絡的SocketInputStream/SocketOutputStream。

2.一、FileInputStream/FileOutputStream

讀取寫入的源是操做系統的文件
FileInputStream使用native方法進行底層文件的讀取private native int read0() throws IOException;全部其餘的read方法最終都是基於這個本地方法實現。
FileOutputStream使用native方法進行底層文件的寫入private native void writeBytes(byte b[], int off, int len, boolean append)全部其餘的write方法都是基於這個本地方法實現。

2.二、ByteArrayInputStream/ByteArrayOutputStream

讀取寫入的源是內存的一個數組，用的比較少。

2.三、SocketInputStream/SocketOutputStream

SocketInputStream使用 private native int socketRead0(FileDescriptor fd,byte b[], int off, int len,int timeout)這個native方法讀取遠程服務器的數據流。全部read方法都是基於這個本地方法實現的。
SocketOutputStream 使用private native void socketWrite0(FileDescriptor fd, byte[] b, int off,int len)這個native方法來進行遠程數據流的寫入，全部的write方法都是基於這個方法實現的。

點評：InputStream和OutputStream是對流的抽象，不一樣的具體流經過繼承去實現，對於Java本地平臺，最基本的就是基於文件系統的流，當涉及到遠程系統，就會出現網絡流，基於內存的流通常不會用到。

三、擴展點二：對IO流行爲的擴展

裝飾模式能夠對一個類的行爲進行擴展，而且不改變它的接口，Java經過FilterInputStream/FilterOutputStream實現了裝飾模式。

責任鏈模式則是定義統一的接口，而後經過多個實現該接口的子類串行協做完成一項複雜的功能。Java經過將多個FilterInputStream/FilterOutputStream的子類串聯起來實現了責任鏈模式。

3.一、FilterInputStream/FilterOutputStream

FilterInputStream自己不實現輸入流的功能，而是經過構造函數傳入另外一個InputStream的子類，把輸入流的功能交給它作。經過繼承FilterInputStream能夠對輸入輸出流的行爲進行擴展，這是裝飾模式的典型用法。經過多個裝飾類實現責任鏈模式，它將對一個輸入流的不一樣處理分散到不一樣的FilterInputStream中去。FilterOutputStream和FilterInputStream的原理同樣。

3.二、BufferedInputStream/BufferedOutputStream

繼承了FilterInputStream，實現了輸入流處理中的緩衝的功能。底層的流會先被讀取到一個字節數組中，用戶使用BufferedInputStream讀取數據的時候，會先讀取字節數組中的數據，讀完了纔會調用底層的流進行進一步的讀取。這種方法能夠提高讀取的性能。
繼承了FilterOutputStream，實現了輸出流處理中的緩衝功能。當用戶寫入數據的時候，實際上是先寫入到BufferedOutputStream的一個字節數組中，當這個字節數組滿了，纔會真正調用底層的輸出流執行輸出動做。這種方法能夠提高寫入的性能。在使用BufferedOutputStream的寫入功能時，必定要使用flush，由於緩衝數組不滿的時候是不會寫入底層流的，在寫入最後一點數據的時候，緩衝數據不必定被填滿，這時候就須要調用flush進行強制刷新。

3.三、PrintStream

繼承FilterOutputStream，這個類的print和println方法能夠把java的一些基本類型數據轉換成字節寫入到底層輸出流，可是PrintStream對String的轉換是平臺相關的，不一樣的平臺會有不一樣的編碼，因此寫入到底層的字節也不一樣，所以PrintStream只適合於測試輸出，不適合於通常的I/O操做，特別是網絡流。

3.四、DataInputStream/DataOutputStream

這兩個類繼承了FilterInputStream/FilterOutputStream，用來實現將java基本類型轉換成二進制來進行讀寫操做，這兩個類的readUTF和writeUTF方法使用了一種特殊的UTF編解碼方式，只能用於java程序，所以不建議在網絡流或者跨平臺的應用中使用者兩個類

3.五、PushbackInputStream

繼承了FilterInputStream，提供了一種回退的機制，能夠實現unread，本質是使用緩衝數組實現了，也就是說，回退的範圍是有限的。

四、Reader/Writer出現的緣由

InputStream和OutputStream是面向字節的，而人類的習慣是面向字符，所以InputStream和OutputStream對於程序猿的用戶體驗不是太好，因而就須要提供一些面向字符的流。因爲DataInputStream/DataOutputStream在跨平臺的狀況下存在問題，所以，java設計者乾脆仿照InputStream和OutputStream從新設計了一套面向字符的I/O，也就是Reader/Writer

4.一、Reader

基本的字符輸入流，是個抽象類
4.1.一、public abstract int read() throws IOException 讀取一個字符的方法，最基礎的方法
4.1.二、public int read(char b[], int off, int len) 讀取指定長度的字符到字節數組，基於方法4.1.1
4.1.三、public int read(char b[]) throws IOException 讀取一個數組那麼多的字符，基於 方法4.1.2
4.1.四、public long skip(long n) throws IOException 跳過必定字符，用到的比較少
4.1.五、public int available() throws IOException 返回能夠讀取的最少字符，用到的比較少
mark(int readlimit)、void reset()和markSupported()這三個方法，並非每一個子類都支持，這裏設計得不合理，徹底能夠把這三個方法遷移到一個新的接口中去。
4.1.六、public void close() throws IOException 關閉輸入流
4.1.七、public boolean ready() throws IOException 是否已經準備好

4.二、Writer

基本的字符輸出流，是個抽象類
4.2.一、abstract public void write(char cbuf[], int off, int len) 抽象方法，用於寫入一個字符數組的一部分，須要子類實現
4.2.二、public void write(char cbuf[]) throws IOException 基於4.2.一、，寫入一個字符數據
4.2.三、public void write(int c) throws IOException 將一個int類型的堤16位做爲一個字符寫入，基於4.2.1
4.2.四、public void write(String str) throws IOException 寫入一個字符串，基於4.2.1
4.2.五、public void write(String str, int off, int len) throws IOException 寫入一個字符串的一部分，基於4.2.1

五、字符與字節之間的轉換

5.一、InputStreamReader/OutputStreamWriter

因爲計算機只識別字節，因此Reader/Writer的數據來源最終仍是字節，而他們沒法直接和字節打交道，這時候就須要一箇中介者將Reader/Writer和InputStream和OutputStream進行打通，因而就有了InputStreamReader和OutputStreamWriter

六、對Reader/Writer的繼承

不一樣源的Reader/Writer，他們都繼承InputStreamReader/OutputStreamWriter

6.一、FileReader/FileWriter

繼承了InputStreamReader/OutputStreamWriter，傳入FileInputStream/FileOutputStream做爲底層的字節I/O

6.二、CharArrayReader/CharArrayWriter

繼承了InputStreamReader/OutputStreamWriter，使用char數組做爲數據源，用的比較少

七、對Reader/Writer行爲的擴展

相似於字節流，也使用了裝飾模式和責任鏈模式

7.一、FilterReader/FilterWriter

對Reader/Writer的代理，底層使用其餘Reader/Writer做爲真正的操做。

7.二、BufferedReader/BufferedWriter

繼承了FilterReader/FilterWriter，BufferedReader使用char數組做爲數據的緩衝區，讀取數據先從緩存區讀，讀不到在從底層的Reader讀，Reader其實用到是更底層的InputStream，儘可能不要用BufferedInputStream做爲底層InputStream，兩層緩衝區沒有必要。BufferedWriter先寫入緩衝區，待緩衝區寫滿了再使用底層真正的Writer寫，Writer其實用的是更底層的OutputStream。儘可能不要用BufferedOutputStream做爲底層OutputStream，兩層緩衝區不必。

7.三、PushbackReader

繼承了FilterReader，實現了可退回的寫，本質是使用了一個char數組，因此可退回是有界限。

7.四、PrintWriter

用於取代PrintStream，它能夠java基本類型轉換成字節輸出，並且能夠正確處理不一樣字符集的國際化問題。

至此，咱們對java.io包下的相關類都作了詳細的解讀，接下來，讓咱們看看第三方開源框架都對java IO進行了哪些擴展。

八、開源庫對Java IO的擴展

經過上面的解讀咱們知道，java IO自己的擴展點有兩個，一個是經過繼承對數據來源的擴展，第二個是經過裝飾模式對行爲進行擴展。下面介紹的commons-io選擇了對行爲進行擴展，並提供一些IO操做的工具方法，簡化IO操做，而okio則不走尋常路，廢棄了java IO的體系，設計出了source/sink接口體系。

8.一、commons-io

8.1.一、擴展行爲
最新的commons-io 2.5提供了對input和output的各類擴展，經過繼承FilterInputStream/FilterOutputStream實現
input：

• AutoCloseInputStream：當IO流讀到EOF時，會進行自動關閉

• BOMInputStream：用於處理含有BOM的輸入流，好比Windows下用記事本保存的文件

• BoundedInputStream：含有讀取界限的輸入流，超過這個界限讀取將會中止

• CountingInputStream：含有統計功能的輸入流

• DemuxInputStream：這個輸入流會將真正的流保存在ThreadLocal中

• ProxyInputStream：一個抽象類，提供了讀取一個字節以前後以後的回調方法

• TaggedInputStream：這個類在拋異常的時候會給異常設置標記，從而用於跟蹤異常

• TeeInputStream：從一個源讀取數據，同時會保存到一個指定的源，相似於unix的tee命令

• UnixLineEndingInputStream：這個流在讀取換行符的時候會按照unix格式讀取

• WindowsLineEndingInputStream：這個流在讀取換行符的時候會按照Windows格式讀取

output

• ChunkedOutputStream：寫入流的時候按照chunk分批寫入

• CountingOutputStream：具備統計功能的輸出流

• DemuxOutputStream：這個輸出流會將真正的流保存在ThreadLocal中

• ProxyOutputStream：一個抽象類，提供了寫入一個字節以前後以後的回調方法

• TaggedOutputStream：這個類在拋異常的時候會給異常設置標記，從而用於跟蹤異常

• TeeOutputStream：寫數據到一個源，同時會保存到一個指定的源，相似於unix的tee命令

8.1.二、工具方法
IOUtils工具類，主要提供如下工具方法：

• closeQuietly - 關閉一個流，忽略異常

• toXxx/read - 從某個流讀取數據

• write - 向某個流寫入數據

• copy -從一個流複製到另外一個流

• contentEquals - 比較兩個流中的內容

8.二、okio

若是使用原生的Java IO進行基本類型的讀寫，咱們須要使用DataInputStream/DataOutputStream以及BufferedReader/BufferedWriter這四個類，除此以外，咱們還須要瞭解InputStreamReader/OutputStreamWriter以及Java IO之間的責任鏈，對於通常的Java開發者來講，這顯然太複雜了。因而okio從新設計了接口Source/Sink，提供了訪問基本類型的接口和緩衝功能，同時屏蔽了底層複雜的IO體系，開發者只要傳入InputStream和OutputStream就能夠了。
具體的類關係以下：

使用Okio的Java代碼以下：

try {

BufferedSource bufferedSource = Okio.buffer(Okio.source(new FileInputStream("1.txt")));
    int i = bufferedSource.readInt();
    long l = bufferedSource.readLong();
    String s = bufferedSource.readString(Charset.forName("UTF-8"));
    
    BufferedSink bufferedSink = Okio.buffer(Okio.sink(new FileOutputStream("2.txt")));
    bufferedSink.writeInt(1);
    bufferedSink.writeLong(2L);
    bufferedSink.writeString("123", Charset.forName("UTF-8"));
} catch (Exception e) {
    // process exception
}