夯實Java基礎系列16：一文讀懂Java IO流和常見面試題

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本文是微信公衆號【Java技術江湖】的《夯實Java基礎系列博文》其中一篇，本文部份內容來源於網絡，爲了把本文主題講得清晰透徹，也整合了不少我認爲不錯的技術博客內容，引用其中了一些比較好的博客文章，若有侵權，請聯繫做者。

該系列博文會告訴你如何從入門到進階，一步步地學習Java基礎知識，並上手進行實戰，接着瞭解每一個Java知識點背後的實現原理，更完整地瞭解整個Java技術體系，造成本身的知識框架。爲了更好地總結和檢驗你的學習成果，本系列文章也會提供部分知識點對應的面試題以及參考答案。

若是對本系列文章有什麼建議，或者是有什麼疑問的話，也能夠關注公衆號【Java技術江湖】聯繫做者，歡迎你參與本系列博文的創做和修訂。

本文參考

併發編程網 – ifeve.com

IO概述

在這一小節，我會試着給出Java IO(java.io)包下全部類的概述。更具體地說，我會根據類的用途對類進行分組。這個分組將會使你在將來的工做中，進行類的用途斷定時，或者是爲某個特定用途選擇類時變得更加容易。

輸入和輸出

術語「輸入」和「輸出」有時候會有一點讓人疑惑。一個應用程序的輸入每每是另一個應用程序的輸出

那麼OutputStream流究竟是一個輸出到目的地的流呢，仍是一個產生輸出的流？InputStream流到底會不會輸出它的數據給讀取數據的程序呢？就我我的而言，在第一天學習Java IO的時候我就感受到了一絲疑惑。

爲了消除這個疑惑，我試着給輸入和輸出起一些不同的別名，讓它們從概念上與數據的來源和數據的流向相聯繫。

Java的IO包主要關注的是從原始數據源的讀取以及輸出原始數據到目標媒介。如下是最典型的數據源和目標媒介：

文件
管道
網絡鏈接
內存緩存
System.in, System.out, System.error(注：Java標準輸入、輸出、錯誤輸出)

下面這張圖描繪了一個程序從數據源讀取數據，而後將數據輸出到其餘媒介的原理：

[外鏈圖片轉存失敗(img-VIwahDo3-1567839588993)(http://ifeve.com/wp-content/uploads/2014/10/%E6%97%A0%E6%A0%87%E9%A2%981.png)]

流

在Java IO中，流是一個核心的概念。流從概念上來講是一個連續的數據流。你既能夠從流中讀取數據，也能夠往流中寫數據。流與數據源或者數據流向的媒介相關聯。在Java IO中流既能夠是字節流(以字節爲單位進行讀寫)，也能夠是字符流(以字符爲單位進行讀寫)。

類InputStream, OutputStream, Reader 和Writer
一個程序須要InputStream或者Reader從數據源讀取數據，須要OutputStream或者Writer將數據寫入到目標媒介中。如下的圖說明了這一點：

[外鏈圖片轉存失敗(img-dsCHgGDu-1567839588994)(http://ifeve.com/wp-content/uploads/2014/10/%E6%97%A0%E6%A0%87%E9%A2%982.png)]

InputStream和Reader與數據源相關聯，OutputStream和writer與目標媒介相關聯。

Java IO的用途和特徵

Java IO中包含了許多InputStream、OutputStream、Reader、Writer的子類。這樣設計的緣由是讓每個類都負責不一樣的功能。這也就是爲何IO包中有這麼多不一樣的類的緣故。各種用途彙總以下：

文件訪問
網絡訪問
內存緩存訪問
線程內部通訊(管道)
緩衝
過濾
解析
讀寫文本 (Readers / Writers)
讀寫基本類型數據 (long, int etc.)
讀寫對象

當通讀過Java IO類的源代碼以後，咱們很容易就能瞭解這些用途。這些用途或多或少讓咱們更加容易地理解，不一樣的類用於針對不一樣業務場景。

Java IO類概述表
已經討論了數據源、目標媒介、輸入、輸出和各種不一樣用途的Java IO類，接下來是一張經過輸入、輸出、基於字節或者字符、以及其餘好比緩衝、解析之類的特定用途劃分的大部分Java IO類的表格。

[外鏈圖片轉存失敗(img-a3UYZ3ow-1567839588995)(http://ifeve.com/wp-content/uploads/2014/10/QQ%E6%88%AA%E5%9B%BE20141020174145.png)]

Java IO類圖

[外鏈圖片轉存失敗(img-n1TqKmEv-1567839588995)(https://images.cnblogs.com/cnblogs_com/davidgu/java_io_hierarchy.jpg)]

什麼是Java IO流

Java IO流是既能夠從中讀取，也能夠寫入到其中的數據流。正如這個系列教程以前提到過的，流一般會與數據源、數據流向目的地相關聯，好比文件、網絡等等。

流和數組不同，不能經過索引讀寫數據。在流中，你也不能像數組那樣先後移動讀取數據，除非使用RandomAccessFile 處理文件。流僅僅只是一個連續的數據流。

某些相似PushbackInputStream 流的實現容許你將數據從新推回到流中，以便從新讀取。然而你只能把有限的數據推回流中，而且你不能像操做數組那樣隨意讀取數據。流中的數據只可以順序訪問。

Java IO流一般是基於字節或者基於字符的。字節流一般以「stream」命名，好比InputStream和OutputStream。除了DataInputStream 和DataOutputStream 還可以讀寫int, long, float和double類型的值之外，其餘流在一個操做時間內只能讀取或者寫入一個原始字節。

字符流一般以「Reader」或者「Writer」命名。字符流可以讀寫字符(好比Latin1或者Unicode字符)。能夠瀏覽Java Readers and Writers獲取更多關於字符流輸入輸出的信息。

InputStream

java.io.InputStream類是全部Java IO輸入流的基類。若是你正在開發一個從流中讀取數據的組件，請嘗試用InputStream替代任何它的子類(好比FileInputStream)進行開發。這麼作可以讓你的代碼兼容任何類型而非某種肯定類型的輸入流。

組合流

你能夠將流整合起來以便實現更高級的輸入和輸出操做。好比，一次讀取一個字節是很慢的，因此能夠從磁盤中一次讀取一大塊數據，而後從讀到的數據塊中獲取字節。爲了實現緩衝，能夠把InputStream包裝到BufferedInputStream中。

代碼示例
InputStream input = new BufferedInputStream(new FileInputStream("c:\data\input-file.txt"));

緩衝一樣能夠應用到OutputStream中。你能夠實現將大塊數據批量地寫入到磁盤(或者相應的流)中，這個功能由BufferedOutputStream實現。

緩衝只是經過流整合實現的其中一個效果。你能夠把InputStream包裝到PushbackInputStream中，以後能夠將讀取過的數據推回到流中從新讀取，在解析過程當中有時候這樣作很方便。或者，你能夠將兩個InputStream整合成一個SequenceInputStream。

將不一樣的流整合到一個鏈中，能夠實現更多種高級操做。經過編寫包裝了標準流的類，能夠實現你想要的效果和過濾器。

IO文件

在Java應用程序中，文件是一種經常使用的數據源或者存儲數據的媒介。因此這一小節將會對Java中文件的使用作一個簡短的概述。這篇文章不會對每個技術細節都作出解釋，而是會針對文件存取的方法提供給你一些必要的知識點。在以後的文章中，將會更加詳細地描述這些方法或者類，包括方法示例等等。

經過Java IO讀文件

若是你須要在不一樣端之間讀取文件，你能夠根據該文件是二進制文件仍是文本文件來選擇使用FileInputStream或者FileReader。

這兩個類容許你從文件開始到文件末尾一次讀取一個字節或者字符，或者將讀取到的字節寫入到字節數組或者字符數組。你沒必要一次性讀取整個文件，相反你能夠按順序地讀取文件中的字節和字符。

若是你須要跳躍式地讀取文件其中的某些部分，可使用RandomAccessFile。

經過Java IO寫文件

若是你須要在不一樣端之間進行文件的寫入，你能夠根據你要寫入的數據是二進制型數據仍是字符型數據選用FileOutputStream或者FileWriter。

你能夠一次寫入一個字節或者字符到文件中，也能夠直接寫入一個字節數組或者字符數據。數據按照寫入的順序存儲在文件當中。

經過Java IO隨機存取文件

正如我所提到的，你能夠經過RandomAccessFile對文件進行隨機存取。

隨機存取並不意味着你能夠在真正隨機的位置進行讀寫操做，它只是意味着你能夠跳過文件中某些部分進行操做，而且支持同時讀寫，不要求特定的存取順序。

這使得RandomAccessFile能夠覆蓋一個文件的某些部分、或者追加內容到它的末尾、或者刪除它的某些內容，固然它也能夠從文件的任何位置開始讀取文件。

下面是具體例子：

@Test
    //文件流範例，打開一個文件的輸入流，讀取到字節數組，再寫入另外一個文件的輸出流
    public void test1() {
        try {
            FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(new File("a.txt"));
            FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(new File("b.txt"));
            byte []buffer = new byte[128];
            while (fileInputStream.read(buffer) != -1) {
                fileOutputStream.write(buffer);
            }
            //隨機讀寫，經過mode參數來決定讀或者寫
            RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(new File("c.txt"), "rw");
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

字符流和字節流

Java IO的Reader和Writer除了基於字符以外，其餘方面都與InputStream和OutputStream很是相似。他們被用於讀寫文本。InputStream和OutputStream是基於字節的，還記得嗎？

Reader
Reader類是Java IO中全部Reader的基類。子類包括BufferedReader，PushbackReader，InputStreamReader，StringReader和其餘Reader。

Writer
Writer類是Java IO中全部Writer的基類。子類包括BufferedWriter和PrintWriter等等。

這是一個簡單的Java IO Reader的例子：

Reader reader = new FileReader("c:\\data\\myfile.txt");

int data = reader.read();

while(data != -1){

    char dataChar = (char) data;

    data = reader.read();

}

你一般會使用Reader的子類，而不會直接使用Reader。Reader的子類包括InputStreamReader，CharArrayReader，FileReader等等。能夠查看Java IO概述瀏覽完整的Reader表格。

整合Reader與InputStream

一個Reader能夠和一個InputStream相結合。若是你有一個InputStream輸入流，而且想從其中讀取字符，能夠把這個InputStream包裝到InputStreamReader中。把InputStream傳遞到InputStreamReader的構造函數中：

Reader reader = new InputStreamReader(inputStream);

在構造函數中能夠指定解碼方式。

Writer

Writer類是Java IO中全部Writer的基類。子類包括BufferedWriter和PrintWriter等等。這是一個Java IO Writer的例子：

Writer writer = new FileWriter("c:\\data\\file-output.txt"); 

writer.write("Hello World Writer"); 

writer.close();

一樣，你最好使用Writer的子類，不須要直接使用Writer，由於子類的實現更加明確，更能表現你的意圖。經常使用子類包括OutputStreamWriter，CharArrayWriter，FileWriter等。Writer的write(int c)方法，會將傳入參數的低16位寫入到Writer中，忽略高16位的數據。

整合Writer和OutputStream

與Reader和InputStream相似，一個Writer能夠和一個OutputStream相結合。把OutputStream包裝到OutputStreamWriter中，全部寫入到OutputStreamWriter的字符都將會傳遞給OutputStream。這是一個OutputStreamWriter的例子：

Writer writer = new OutputStreamWriter(outputStream);

IO管道

Java IO中的管道爲運行在同一個JVM中的兩個線程提供了通訊的能力。因此管道也能夠做爲數據源以及目標媒介。

你不能利用管道與不一樣的JVM中的線程通訊(不一樣的進程)。在概念上，Java的管道不一樣於Unix/Linux系統中的管道。在Unix/Linux中，運行在不一樣地址空間的兩個進程能夠經過管道通訊。在Java中，通訊的雙方應該是運行在同一進程中的不一樣線程。

經過Java IO建立管道

能夠經過Java IO中的PipedOutputStream和PipedInputStream建立管道。一個PipedInputStream流應該和一個PipedOutputStream流相關聯。

一個線程經過PipedOutputStream寫入的數據能夠被另外一個線程經過相關聯的PipedInputStream讀取出來。

Java IO管道示例
這是一個如何將PipedInputStream和PipedOutputStream關聯起來的簡單例子：

//使用管道來完成兩個線程間的數據點對點傳遞
    @Test
    public void test2() throws IOException {
        PipedInputStream pipedInputStream = new PipedInputStream();
        PipedOutputStream pipedOutputStream = new PipedOutputStream(pipedInputStream);
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    pipedOutputStream.write("hello input".getBytes());
                    pipedOutputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    byte []arr = new byte[128];
                    while (pipedInputStream.read(arr) != -1) {
                        System.out.println(Arrays.toString(arr));
                    }
                    pipedInputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

管道和線程
請記得，當使用兩個相關聯的管道流時，務必將它們分配給不一樣的線程。read()方法和write()方法調用時會致使流阻塞，這意味着若是你嘗試在一個線程中同時進行讀和寫，可能會致使線程死鎖。

管道的替代
除了管道以外，一個JVM中不一樣線程之間還有許多通訊的方式。實際上，線程在大多數狀況下會傳遞完整的對象信息而非原始的字節數據。可是，若是你須要在線程之間傳遞字節數據，Java IO的管道是一個不錯的選擇。

Java IO：網絡

Java中網絡的內容或多或少的超出了Java IO的範疇。關於Java網絡更多的是在個人Java網絡教程中探討。可是既然網絡是一個常見的數據來源以及數據流目的地，而且由於你使用Java IO的API經過網絡鏈接進行通訊，因此本文將簡要的涉及網絡應用。

當兩個進程之間創建了網絡鏈接以後，他們通訊的方式如同操做文件同樣：利用InputStream讀取數據，利用OutputStream寫入數據。換句話來講，Java網絡API用來在不一樣進程之間創建網絡鏈接，而Java IO則用來在創建了鏈接以後的進程之間交換數據。

基本上意味着若是你有一份可以對文件進行寫入某些數據的代碼，那麼這些數據也能夠很容易地寫入到網絡鏈接中去。你所須要作的僅僅只是在代碼中利用OutputStream替代FileOutputStream進行數據的寫入。由於FileOutputStream是OuputStream的子類，因此這麼作並無什麼問題。

//從網絡中讀取字節流也能夠直接使用OutputStream
public void test3() {
    //讀取網絡進程的輸出流
    OutputStream outputStream = new OutputStream() {
        @Override
        public void write(int b) throws IOException {
        }
    };
}
public void process(OutputStream ouput) throws IOException {
    //處理網絡信息
    //do something with the OutputStream
}

字節和字符數組

從InputStream或者Reader中讀入數組

從OutputStream或者Writer中寫數組

在java中經常使用字節和字符數組在應用中臨時存儲數據。而這些數組又是一般的數據讀取來源或者寫入目的地。若是你須要在程序運行時須要大量讀取文件裏的內容，那麼你也能夠把一個文件加載到數組中。

前面的例子中，字符數組或字節數組是用來緩存數據的臨時存儲空間，不過它們同時也能夠做爲數據來源或者寫入目的地。
舉個例子：

//字符數組和字節數組在io過程當中的做用
    public void test4() {
        //arr和brr分別做爲數據源
        char []arr = {'a','c','d'};
        CharArrayReader charArrayReader = new CharArrayReader(arr);
        byte []brr = {1,2,3,4,5};
        ByteArrayInputStream byteArrayInputStream = new ByteArrayInputStream(brr);
    }

System.in, System.out, System.err

System.in, System.out, System.err這3個流一樣是常見的數據來源和數據流目的地。使用最多的多是在控制檯程序裏利用System.out將輸出打印到控制檯上。

JVM啓動的時候經過Java運行時初始化這3個流，因此你不須要初始化它們(儘管你能夠在運行時替換掉它們)。

System.in
System.in是一個典型的鏈接控制檯程序和鍵盤輸入的InputStream流。一般當數據經過命令行參數或者配置文件傳遞給命令行Java程序的時候，System.in並非很經常使用。圖形界面程序經過界面傳遞參數給程序，這是一塊單獨的Java IO輸入機制。

System.out
System.out是一個PrintStream流。System.out通常會把你寫到其中的數據輸出到控制檯上。System.out一般僅用在相似命令行工具的控制檯程序上。System.out也常常用於打印程序的調試信息(儘管它可能並非獲取程序調試信息的最佳方式)。

System.err
System.err是一個PrintStream流。System.err與System.out的運行方式相似，但它更多的是用於打印錯誤文本。一些相似Eclipse的程序，爲了讓錯誤信息更加顯眼，會將錯誤信息以紅色文本的形式經過System.err輸出到控制檯上。

System.out和System.err的簡單例子：
這是一個System.out和System.err結合使用的簡單示例：

//測試System.in, System.out, System.err    
    public static void main(String[] args) {
        int in = new Scanner(System.in).nextInt();
        System.out.println(in);
        System.out.println("out");
        System.err.println("err");
        //輸入10，結果是
//        err（紅色）
//        10
//        out
    }

字符流的Buffered和Filter

BufferedReader能爲字符輸入流提供緩衝區，能夠提升許多IO處理的速度。你能夠一次讀取一大塊的數據，而不須要每次從網絡或者磁盤中一次讀取一個字節。特別是在訪問大量磁盤數據時，緩衝一般會讓IO快上許多。

BufferedReader和BufferedInputStream的主要區別在於，BufferedReader操做字符，而BufferedInputStream操做原始字節。只須要把Reader包裝到BufferedReader中，就能夠爲Reader添加緩衝區(譯者注：默認緩衝區大小爲8192字節，即8KB)。代碼以下：

Reader input = new BufferedReader(new FileReader("c:\\data\\input-file.txt"));

你也能夠經過傳遞構造函數的第二個參數，指定緩衝區大小，代碼以下：

Reader input = new BufferedReader(new FileReader("c:\\data\\input-file.txt"), 8 * 1024);

這個例子設置了8KB的緩衝區。最好把緩衝區大小設置成1024字節的整數倍，這樣能更高效地利用內置緩衝區的磁盤。

除了可以爲輸入流提供緩衝區之外，其他方面BufferedReader基本與Reader相似。BufferedReader還有一個額外readLine()方法，能夠方便地一次性讀取一整行字符。

BufferedWriter

與BufferedReader相似，BufferedWriter能夠爲輸出流提供緩衝區。能夠構造一個使用默認大小緩衝區的BufferedWriter(譯者注：默認緩衝區大小8 * 1024B)，代碼以下：

Writer writer = new BufferedWriter(new FileWriter("c:\\data\\output-file.txt"));

也能夠手動設置緩衝區大小，代碼以下：

Writer writer = new BufferedWriter(new FileWriter("c:\\data\\output-file.txt"), 8 * 1024);

爲了更好地使用內置緩衝區的磁盤，一樣建議把緩衝區大小設置成1024的整數倍。除了可以爲輸出流提供緩衝區之外，其他方面BufferedWriter基本與Writer相似。相似地，BufferedWriter也提供了writeLine()方法，可以把一行字符寫入到底層的字符輸出流中。

值得注意是，你須要手動flush()方法確保寫入到此輸出流的數據真正寫入到磁盤或者網絡中。

FilterReader

與FilterInputStream相似，FilterReader是實現自定義過濾輸入字符流的基類，基本上它僅僅只是簡單覆蓋了Reader中的全部方法。

就我本身而言，我沒發現這個類明顯的用途。除了構造函數取一個Reader變量做爲參數以外，我沒看到FilterReader任何對Reader新增或者修改的地方。若是你選擇繼承FilterReader實現自定義的類，一樣也能夠直接繼承自Reader從而避免額外的類層級結構。

JavaIO流面試題

什麼是IO流？

它是一種數據的流從源頭流到目的地。好比文件拷貝，輸入流和輸出流都包括了。輸入流從文件中讀取數據存儲到進程(process)中，輸出流從進程中讀取數據而後寫入到目標文件。

字節流和字符流的區別。

字節流在JDK1.0中就被引進了，用於操做包含ASCII字符的文件。JAVA也支持其餘的字符如Unicode，爲了讀取包含Unicode字符的文件，JAVA語言設計者在JDK1.1中引入了字符流。ASCII做爲Unicode的子集，對於英語字符的文件，能夠可使用字節流也可使用字符流。

Java中流類的超類主要由那些？

java.io.InputStream
java.io.OutputStream
java.io.Reader
java.io.Writer

FileInputStream和FileOutputStream是什麼？

這是在拷貝文件操做的時候，常常用到的兩個類。在處理小文件的時候，它們性能表現還不錯，在大文件的時候，最好使用BufferedInputStream (或 BufferedReader) 和 BufferedOutputStream (或 BufferedWriter)

System.out.println()是什麼？

println是PrintStream的一個方法。out是一個靜態PrintStream類型的成員變量，System是一個java.lang包中的類，用於和底層的操做系統進行交互。

什麼是Filter流？

Filter Stream是一種IO流主要做用是用來對存在的流增長一些額外的功能，像給目標文件增長源文件中不存在的行數，或者增長拷貝的性能。

有哪些可用的Filter流？

在java.io包中主要由4個可用的filter Stream。兩個字節filter stream，兩個字符filter stream. 分別是FilterInputStream, FilterOutputStream, FilterReader and FilterWriter.這些類是抽象類，不能被實例化的。

在文件拷貝的時候，那一種流可用提高更多的性能？

在字節流的時候，使用BufferedInputStream和BufferedOutputStream。
在字符流的時候，使用BufferedReader 和 BufferedWriter

說說管道流(Piped Stream)

有四種管道流， PipedInputStream, PipedOutputStream, PipedReader 和 PipedWriter.在多個線程或進程中傳遞數據的時候管道流很是有用。

說說File類

它不屬於 IO流，也不是用於文件操做的，它主要用於知道一個文件的屬性，讀寫權限，大小等信息。

說說RandomAccessFile?

它在java.io包中是一個特殊的類，既不是輸入流也不是輸出流，它二者均可以作到。他是Object的直接子類。一般來講，一個流只有一個功能，要麼讀，要麼寫。可是RandomAccessFile既能夠讀文件，也能夠寫文件。 DataInputStream 和 DataOutStream有的方法，在RandomAccessFile中都存在。

參考文章

https://www.imooc.com/article/24305

https://www.cnblogs.com/UncleWang001/articles/10454685.html

https://www.cnblogs.com/Jixiangwei/p/Java.html

https://blog.csdn.net/baidu_37107022/article/details/76890019

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