IO工作機制

一、簡介

IO操作面臨很多問題，信息量的巨大，網絡的環境等等，因爲IO不僅僅是對本地文件、目錄的操作，有時對二進制流、還有一部分是網絡方面的資源，所以多種原因直接造成IO操作無疑是耗時且複雜多變的。Java對IO的支持是個不斷的演變過程，經過了很多的優化，直到JDK1.4以後，才趨於穩定，在JDK1.4中，加入了nio類，解決了很多性能問題，雖然我們有足夠的理由不去了解關於Java IO以前的情況，但是爲了學好現在的類，我們還是打算去研究下，通過掌握類的優化情況來徹底理解IO的機制！Java IO主要主要在java.io包下，分爲四大塊近80個類：

1、基於字節操作的I/O接口：InputStream和OutputStream

2、基於字符操作的I/O接口：Writer和Reader

3、基於磁盤操作的I/O接口：File

4、基於網絡操作的I/O接口：Socket（不在java.io包下）

影響IO性能的無非就是兩大因素：數據的格式及存儲的方式，前兩類主要是數據格式方面的，後兩個類是存儲方式方面的：本地和網絡。所以策劃好這兩個方面的活動，有助於我們合理使用IO。

二、基於字節的I/O操作(InputStream和OutputStream)

我們先來看看類圖：

圖1

圖2

二者類似，我只詳細講解InputStream類，OutputStream留給大家自己去學習。InputStream類是個抽象類，裏面核心的方法就是read()、read(byte b[])、read(byte b[], int off, int len)，這三個方法是用於讀取數據的底層的方法，他們可以用來讀取一下這些類型的數據：

A. 字節數組

B. String對象

C. 文件

D. 管道，從一端進入，從另一端輸出

E. 流

F. internet資源

每一種數據源都有相應的InputStream子類，因爲InputStream是個處於頂層的類，用來處理各種數據源的類都繼承了InputStream類，我們來看看這些類：

ByteArrayInputStream：處理字節數組的類，允許將內存的緩衝區當做InputStream使用。

StringBufferInputStream：將String轉換成InputStream，內部實現用的是StringBuffer。

FileInputStream：從文件中讀取數據。

PipedInputStream：用於從管道中讀取數據。

SequenceInputStream：將多個流對象轉化成一個InputStream。

FilterInputStream：裝飾器類，爲其它InputStream類提供功能。

做過關於IO操作的讀者知道，我們很少單獨使用哪個類來實現IO操作，平時都是幾個類合起來使用，這其實體現了一種裝飾器模式（詳見：http://blog.csdn.net/zhangerqing）的思想，在後面的分析中我們會詳細的分析。從上面的圖1中我們可以看出，FilterInputStream雖說是Inputstream的子類，但它依然是BufferedInputStream、DataInputStream、LineNumberInputStream、PushbackInputStream類的父類，這四個類分別提供了最貼近我們程序員使用的方法，如：readInt() 、readInt()、readInt()等等。對於IO操作，不管是磁盤還是網絡，最終都是對字節的操作，而我們平時寫的程序都是字符形式的，所以在傳輸的過程中需要進行轉換。在字符到字節的轉換過程中，我們需要用到一個類：InputStreamReader。

三、基於字符的I/O操作(Writer和Reader)

圖3

圖4

Writer和Reader操作的目的就是操作字符和不是字節，和InputStream和OutputStream配合增加IO效果。通過InputStreamReader和OutputStreamReader可以進行字節和字符的轉換，設計Writer和Reader的目的是國際化，使IO操作支持16位的Unicode。我把它們單獨的畫出來，因爲要是全畫的話，太大了放不下，有興趣的TX可以在rational rose中導入其帶的JDK類圖看看，很過癮的！

四、基於磁盤的I/O操作(File)

五、基於網絡的I/O操作(Socket)

六、NIO

四-六部分由於時間關係，還沒有整理完，後續會補出來！

七、經典IO操作

1、緩衝輸入文件。

[java] view plain copy
import java.io.BufferedReader;  
import java.io.FileReader;  
  
public class InputStreamTest {  
  
    public static String read(String filename) throws Exception {  
        BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader(filename));  
        String s;  
        StringBuffer sb = new StringBuffer();  
        while ((s = br.readLine()) != null) {  
            sb.append(s + "\n");  
        }  
        br.close();  
        return sb.toString();  
    }  
  
    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        System.out.println(read("src/InputStreamTest.java"));  
    }  
　}  

這段代碼是從磁盤讀入InputStreamTest.java文件，然後轉換成字符串。輸出就是將源文件原樣輸出。

2、從內存中讀取。

[java] view plain copy
import java.io.StringReader;  
  
public class MemoryInput {  
  
    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        StringReader in = new StringReader(  
                InputStreamTest.read("src/MemoryInput.java"));  
        int c;  
        while ((c = in.read()) != -1)  
            System.out.println((char) c);  
    }  
  
}  

read返回的是int類型的數據，所以在輸出語句中用char做了強類型轉換。該程序將一個一個的輸出字符。

3、基本的文件輸出。

[java] view plain copy
import java.io.BufferedReader;  
import java.io.BufferedWriter;  
import java.io.FileWriter;  
import java.io.PrintWriter;  
import java.io.StringReader;  
  
public class BasicFileOutput {  
  
    static String file = "basie.out";  
  
    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        BufferedReader in = new BufferedReader(new StringReader(  
                InputStreamTest.read("src/BasicFileOutput.java")));  
        PrintWriter out = new PrintWriter(new BufferedWriter(new FileWriter(  
                file)));  
        int lineCount = 1;  
        String s;  
        while ((s = in.readLine()) != null) {  
            out.println(lineCount++ + ": " + s);  
        }  
        out.close();  
        System.out.println(InputStreamTest.read(file));  
    }  
}  

輸出：

1: import java.io.BufferedReader;

2: import java.io.BufferedWriter;

3: import java.io.FileWriter;

…

4、RandomAccessFile

RandomAccessFile被我們稱爲”自我獨立的類”，因爲它獨立於我們前面說的IO類，與InputStream和OutputStream沒什麼關係，除了實現了DataOutput, DataInput兩個接口外。所有方法都是重新編寫，而且很多都是native方法，我們來看個例子，瞭解下這個類：

5、管道流

八、標準I/O

就是我們最原始的使用的從控制檯輸入或者輸出的那些類和方法，如System.in、System.out等。

[java] view plain copy
public class StandardIO {  
  
    public static void main(String[] args) throws IOException {  
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));  
        String s;  
        while ((s = in.readLine()) != null && s.length() != 0)  
            System.out.println(s);  
    }  
}  

System.in返回的是未經包裝的InputStream對象，所以需要進行裝飾，經InputStreamReader轉換爲Reader對象，放入BufferedReader的構造方法中。除此之外，System.out和System.err都是直接的PriintStream對象，可直接使用。我們也可以使用java.util包下的Scanner類來代替上述程序：

[java] view plain copy
public class StandardIO {  
  
    public static void main(String[] args) throws IOException {  
        Scanner in = new Scanner(System.in);  
        String s;  
        while((s = in.next()) != null && s.length() != 0){  
            System.out.println(s);  
        }  
    }  
}  

九、性能分析及總結

1、一個文件讀寫工具類。

[java] view plain copy
import java.io.BufferedReader;  
import java.io.File;  
import java.io.FileReader;  
import java.io.IOException;  
import java.io.PrintWriter;  
import java.util.ArrayList;  
import java.util.Arrays;  
  
/** 
 * 一個非常實用的文件操作類 . 2012-12-19 
 *  
 * @author Bruce Eckel , edited by erqing 
 *  
 */  
public class TextFile extends ArrayList<String> {  
  
    private static final long serialVersionUID = -1942855619975438512L;  
  
    // Read a file as a String  
    public static String read(String filename) {  
        StringBuilder sb = new StringBuilder();  
        try {  
            BufferedReader in = new BufferedReader(new FileReader(new File(  
                    filename).getAbsoluteFile()));  
            String s;  
            try {  
                while ((s = in.readLine()) != null) {  
                    sb.append(s);  
                    sb.append("\n");  
                }  
            } finally {  
                in.close();  
            }  
  
        } catch (IOException e) {  
            throw new RuntimeException(e);  
        }  
        return sb.toString();  
    }  
  
    // Write a single file in one method call  
    public static void write(String fileName, String text) {  
        try {  
            PrintWriter out = new PrintWriter(  
                    new File(fileName).getAbsoluteFile());  
            try {  
                out.print(text);  
            } finally {  
                out.close();  
            }  
        } catch (IOException e) {  
            throw new RuntimeException(e);  
        }  
    }  
  
    // Read a file,spilt by any regular expression  
    public TextFile(String fileName, String splitter) {  
        super(Arrays.asList(read(fileName).split(splitter)));  
        if (get(0).equals(""))  
            remove(0);  
    }  
  
    // Normally read by lines  
    public TextFile(String fileName) {  
        this(fileName, "\n");  
    }  
  
    public void write(String fileName) {  
        try {  
            PrintWriter out = new PrintWriter(  
                    new File(fileName).getAbsoluteFile());  
            try {  
                for (String item : this)  
                    out.println(item);  
            } finally {  
                out.close();  
            }  
  
        } catch (IOException e) {  
            throw new RuntimeException(e);  
        }  
  
    }  
  
    // test,I have generated a file named data.d at the root  
    public static void main(String[] args) {  
  
        /* read() test */  
        System.out.println(read("data.d")); // testing is OK!  
  
        /* write() test */  
        write("out.d", "helloworld\negg"); // testing is OK!  
  
        /* constractor test */  
        TextFile tf = new TextFile("data.d"); // testing is OK!  
  
    }  
  
}  

2、讀取二進制文件。

[java] view plain copy
import java.io.BufferedInputStream;  
import java.io.File;  
import java.io.FileInputStream;  
import java.io.IOException;  
  
/** 
 * to read the binary file 
 *  
 * @author erqing 
 *  
 */  
public class BinaryFile {  
  
    /* the parametre is a file */  
    public static byte[] read(File file) throws IOException {  
        BufferedInputStream bf = new BufferedInputStream(new FileInputStream(  
                file));  
        try {  
            byte[] data = new byte[bf.available()];  
            bf.read(data);  
            return data;  
        } finally {  
            bf.close();  
        }  
    }  
  
    /* the param is the path of a file */  
    public static byte[] read(String file) throws IOException {  
        return read(new File(file).getAbsoluteFile());  
    }  
}  

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