前言

上篇文章我們介紹了抽象化磁盤(pán)文件的 File 類(lèi)型，它僅僅用于抽象化描述一個(gè)磁盤(pán)文件或目錄，卻不具備訪問(wèn)和修改一個(gè)文件內(nèi)容的能力。

Java 的 IO 流就是用于讀寫(xiě)文件內(nèi)容的一種設(shè)計(jì)，它能完成將磁盤(pán)文件內(nèi)容輸出到內(nèi)存或者是將內(nèi)存數(shù)據(jù)輸出到磁盤(pán)文件的數(shù)據(jù)傳輸工作。

Java IO 流的設(shè)計(jì)并不是完美的，設(shè)計(jì)了大量的類(lèi)，增加了我們對(duì)于 IO 流的理解，但無(wú)外乎為兩大類(lèi)，一類(lèi)是針對(duì)二進(jìn)制文件的字節(jié)流，另一類(lèi)是針對(duì)文本文件的字符流。而本篇我們就先來(lái)學(xué)習(xí)有關(guān)字節(jié)流的相關(guān)類(lèi)型的原理以及使用場(chǎng)景等細(xì)節(jié)，主要涉及的具體流類(lèi)型如下：

基類(lèi)字節(jié)流 Input/OutputStream

InputStream 和 OutputStream 分別作為讀字節(jié)流和寫(xiě)字節(jié)流的基類(lèi)，所有字節(jié)相關(guān)的流都必然繼承自他們中任意一個(gè)，而它們本身作為一個(gè)抽象類(lèi)，也定義了最基本的讀寫(xiě)操作，我們一起來(lái)看看：

以 InputStream 為例：

public abstract int read() throws IOException;

這是一個(gè)抽象的方法，并沒(méi)有提供默認(rèn)實(shí)現(xiàn)，要求子類(lèi)必須實(shí)現(xiàn)。而這個(gè)方法的作用就是為你返回當(dāng)前文件的下一個(gè)字節(jié)。

當(dāng)然，你也會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)方法的返回值是使用的整型類(lèi)型「int」來(lái)接收的，為什么不用「byte」？

首先，read 方法返回的值一定是一個(gè)八位的二進(jìn)制，而一個(gè)八位的二進(jìn)制可以取值的值區(qū)間為：「0000 0000，1111 1111」，也就是范圍 [-128,127]。

read 方法同時(shí)又規(guī)定當(dāng)讀取到文件的末尾，即文件沒(méi)有下一個(gè)字節(jié)供讀取了，將返回值 -1 。所以如果使用 byte 作為返回值類(lèi)型，那么當(dāng)方法返回一個(gè) -1 ，我們?cè)撆卸ㄟ@是文件中數(shù)據(jù)內(nèi)容，還是流的末尾呢？

而 int 類(lèi)型占四個(gè)字節(jié)，高位的三個(gè)字節(jié)全部為 0，我們只使用它的最低位字節(jié)，當(dāng)遇到流結(jié)尾標(biāo)志時(shí)，返回四個(gè)字節(jié)表示的 -1（32 個(gè) 1），這就自然的和表示數(shù)據(jù)的值 -1（24 個(gè) 0 + 8 個(gè) 1）區(qū)別開(kāi)來(lái)了。

接下來(lái)也是一個(gè) read 方法，但是 InputStream 提供默認(rèn)實(shí)現(xiàn)：

public int read(byte b[]) throws IOException {
 return read(b, 0, b.length);
}

public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException{
 //為了不使篇幅過(guò)長(zhǎng)，方法體大家可自行查看 jdk 源碼
}

這兩個(gè)方法本質(zhì)上是一樣的，第一個(gè)方法是第二個(gè)方法的特殊形態(tài)，它允許傳入一個(gè)字節(jié)數(shù)組，并要求程序?qū)⑽募凶x到的字節(jié)從數(shù)組索引位置 0 開(kāi)始填充，供填充數(shù)組長(zhǎng)度個(gè)字節(jié)數(shù)。

而第二個(gè)方法更加寬泛一點(diǎn)，它允許你指定起始位置和字節(jié)總數(shù)。

InputStream 中還有其他幾個(gè)方法，基本都沒(méi)怎么具體實(shí)現(xiàn)，留待子類(lèi)實(shí)現(xiàn)，我們簡(jiǎn)單看看。

• public long skip(long n)：跳過(guò) n 個(gè)字節(jié)，返回實(shí)際跳過(guò)的字節(jié)數(shù)
• public void close()：關(guān)閉流并釋放對(duì)應(yīng)的資源
• public synchronized void mark(int readlimit)
• public synchronized void reset()
• public boolean markSupported()

mark 方法會(huì)在當(dāng)前流讀取位置打上一個(gè)標(biāo)志，reset 方法即重置讀取指針到該標(biāo)志處。

事實(shí)上，文件讀取是不可能重置回頭讀取的，而一般都是將標(biāo)志位置到重置點(diǎn)之間所有的字節(jié)臨時(shí)保存了，當(dāng)調(diào)用 reset 方法時(shí)，其實(shí)是從保存的臨時(shí)字節(jié)集合進(jìn)行重復(fù)讀取，所以 readlimit 用于限制最大緩存容量。

而 markSupported 方法則用于確定當(dāng)前流是否支持這種「回退式」讀取操作。

OutputStream 和 InputStream 是類(lèi)似的，只不過(guò)一個(gè)是寫(xiě)一個(gè)是讀，此處我們不再贅述了。

文件字節(jié)流 FileInput/OutputStream

我們依然著重點(diǎn)于 FileInputStream，而 FileOutputStream 是類(lèi)似的。

首先 FileInputStream 有以下幾種構(gòu)造器實(shí)例化一個(gè)對(duì)象：

public FileInputStream(String name) throws FileNotFoundException {
 this(name != null ? new File(name) : null);
}

public FileInputStream(File file) throws FileNotFoundException {
 String name = (file != null ? file.getPath() : null);
 SecurityManager security = System.getSecurityManager();
 if (security != null) {
 security.checkRead(name);
 }
 if (name == null) {
 throw new NullPointerException();
 }
 if (file.isInvalid()) {
 throw new FileNotFoundException("Invalid file path");
 }
 fd = new FileDescriptor();
 fd.attach(this);
 path = name;
 open(name);
}

這兩個(gè)構(gòu)造器本質(zhì)上也是一樣的，前者是后者的特殊形態(tài)。其實(shí)你別看后者的方法體一大堆代碼，大部分都只是在做安全校驗(yàn)，核心的就是一個(gè) open 方法，用于打開(kāi)一個(gè)文件。

主要是這兩種構(gòu)造器，如果文件不存在或者文件路徑和名稱(chēng)不合法，都將拋出 FileNotFoundException 異常。

記得我們說(shuō)過(guò)，基類(lèi) InputStream 中有一個(gè)抽象方法 read 要求所有子類(lèi)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，而 FileInputStream 使用本地方法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)：

public int read() throws IOException {
 return read0();
}

private native int read0() throws IOException;

這個(gè) read0 的具體實(shí)現(xiàn)我們暫時(shí)無(wú)從探究，但是你必須明確的是，這個(gè) read 方法的作用，它用于返回流中下一個(gè)字節(jié)，返回 -1 說(shuō)明讀取到文件末尾，已無(wú)字節(jié)可讀。

除此之外，F(xiàn)ileInputStream 中還有一些其他的讀取相關(guān)方法，但大多采用了本地方法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，此處我們簡(jiǎn)單看看：

• public int read(byte b[])：讀取 b.length() 個(gè)長(zhǎng)度的字節(jié)到數(shù)組中
• public int read(byte b[], int off, int len)：讀取指定長(zhǎng)度的字節(jié)數(shù)到數(shù)組中
• public native long skip(long n)：跳過(guò) n 的字節(jié)進(jìn)行讀取
• public void close()：釋放流資源

FileInputStream 的內(nèi)部方法基本就這么些，還有一些高級(jí)的復(fù)雜的，我們暫時(shí)用不到，以后再進(jìn)行學(xué)習(xí)，下面我們簡(jiǎn)單看一個(gè)文件讀取的例子：

public static void main(String[] args) throws IOException {
 FileInputStream input = new FileInputStream("C:\\Users\\yanga\\Desktop\\test.txt");
 byte[] buffer = new byte[1024];
 int len = input.read(buffer);
 String str = new String(buffer);
 System.out.println(str);
 System.out.println(len);
 input.close();
}

輸出結(jié)果很簡(jiǎn)單，會(huì)打印出我們 test 文件中的內(nèi)容和實(shí)際讀出的字節(jié)數(shù)，但細(xì)心的同學(xué)就會(huì)發(fā)現(xiàn)了，你怎么就能保證 test 文件中內(nèi)容不會(huì)超過(guò) 1024 個(gè)字節(jié)呢？

為了能夠完整的讀出文件中的內(nèi)容，一種解決辦法是：將 buffer 定義的足夠大，以期望盡可能的能夠存儲(chǔ)下文件中的所有內(nèi)容。

這種方法顯然是不可取的，因?yàn)槲覀兏静豢赡軐?shí)現(xiàn)知道待讀文件的實(shí)際大小，一味的創(chuàng)建過(guò)大的字節(jié)數(shù)組其本身也是一種很差勁的方案。

第二種方式就是使用我們的動(dòng)態(tài)字節(jié)數(shù)組流，它可以動(dòng)態(tài)調(diào)整內(nèi)部字節(jié)數(shù)組的大小，保證適當(dāng)?shù)娜萘?，這一點(diǎn)我們后文中將詳細(xì)介紹。

關(guān)于 FileOutputStream，還需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是它的構(gòu)造器，其中有以下兩個(gè)構(gòu)造器：

public FileOutputStream(String name, boolean append)

public FileOutputStream(File file, boolean append)

參數(shù) append 指明了，此流的寫(xiě)入操作是覆蓋還是追加，true 表示追加，false 表示覆蓋。

字節(jié)數(shù)組流 ByteArrayInput/OutputStream

所謂的「字節(jié)數(shù)組流」就是圍繞一個(gè)字節(jié)數(shù)組運(yùn)作的流，它并不像其他流一樣，針對(duì)文件進(jìn)行流的讀寫(xiě)操作。

字節(jié)數(shù)組流雖然并不是基于文件的流，但卻依然是一個(gè)很重要的流，因?yàn)樗鼉?nèi)部封裝的字節(jié)數(shù)組并不是固定的，而是動(dòng)態(tài)可擴(kuò)容的，往往基于某些場(chǎng)景下，非常合適。

ByteArrayInputStream 是讀字節(jié)數(shù)組流，可以通過(guò)以下構(gòu)造函數(shù)被實(shí)例化：

protected byte buf[];
protected int pos;
protected int count;

public ByteArrayInputStream(byte buf[]) {
 this.buf = buf;
 this.pos = 0;
 this.count = buf.length;
}

public ByteArrayInputStream(byte buf[], int offset, int length)

buf 就是被封裝在 ByteArrayInputStream 內(nèi)部的一個(gè)字節(jié)數(shù)組，ByteArrayInputStream 的所有讀操作都是圍繞著它進(jìn)行的。

所以，實(shí)例化一個(gè) ByteArrayInputStream 對(duì)象的時(shí)候，至少傳入一個(gè)目標(biāo)字節(jié)數(shù)組的。

pos 屬性用于記錄當(dāng)前流讀取的位置，count 記錄了目標(biāo)字節(jié)數(shù)組最后一個(gè)有效字節(jié)索引的后一個(gè)位置。

理解了這一點(diǎn)，有關(guān)它各種的 read 方法就不難了：

//讀取下一個(gè)字節(jié)
public synchronized int read() {
 return (pos < count) ? (buf[pos++] & 0xff) : -1;
}
//讀取 len 個(gè)字節(jié)放到字節(jié)數(shù)組 b 中
public synchronized int read(byte b[], int off, int len){
 //同樣的，方法體較長(zhǎng)，大家查看自己的 jdk
}

除此之外，ByteArrayInputStream 還非常簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)了「重復(fù)讀取」操作。

public void mark(int readAheadLimit) {
 mark = pos;
}

public synchronized void reset() {
 pos = mark;
}

因?yàn)?ByteArrayInputStream 是基于字節(jié)數(shù)組的，所有重復(fù)讀取操作的實(shí)現(xiàn)就比較容易了，基于索引實(shí)現(xiàn)就可以了。

ByteArrayOutputStream 是寫(xiě)的字節(jié)數(shù)組流，很多實(shí)現(xiàn)還是很有自己的特點(diǎn)的，我們一起來(lái)看看。

首先，這兩個(gè)屬性是必須的：

protected byte buf[];

//這里的 count 表示的是 buf 中有效字節(jié)個(gè)個(gè)數(shù)
protected int count;

構(gòu)造器：

public ByteArrayOutputStream() {
 this(32);
}
 
public ByteArrayOutputStream(int size) {
 if (size < 0) {
 throw new IllegalArgumentException("Negative initial size: "+ size);
 }
 buf = new byte[size];
}

構(gòu)造器的核心任務(wù)是，初始化內(nèi)部的字節(jié)數(shù)組 buf，允許你傳入 size 顯式限制初始化的字節(jié)數(shù)組大小，否則將默認(rèn)長(zhǎng)度 32 。

從外部向 ByteArrayOutputStream 寫(xiě)內(nèi)容：

public synchronized void write(int b) {
 ensureCapacity(count + 1);
 buf[count] = (byte) b;
 count += 1;
}

public synchronized void write(byte b[], int off, int len){
 if ((off < 0) || (off > b.length) || (len < 0) ||
 ((off + len) - b.length > 0)) {
 throw new IndexOutOfBoundsException();
 }
 ensureCapacity(count + len);
 System.arraycopy(b, off, buf, count, len);
 count += len;
}

看到?jīng)]有，所有寫(xiě)操作的第一步都是 ensureCapacity 方法的調(diào)用，目的是為了確保當(dāng)前流內(nèi)的字節(jié)數(shù)組能容納本次寫(xiě)操作。

而這個(gè)方法也很有意思了，如果計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部的 buf 不能夠支持本次寫(xiě)操作，則會(huì)調(diào)用 grow 方法做一次擴(kuò)容。擴(kuò)容的原理和 ArrayList 的實(shí)現(xiàn)是類(lèi)似的，擴(kuò)大為原來(lái)的兩倍容量。

除此之外，ByteArrayOutputStream 還有一個(gè) writeTo 方法：

public synchronized void writeTo(OutputStream out) throws IOException {
 out.write(buf, 0, count);
}

將我們內(nèi)部封裝的字節(jié)數(shù)組寫(xiě)到某個(gè)輸出流當(dāng)中。

剩余的一些方法也很常用：

• public synchronized byte toByteArray()[]：返回內(nèi)部封裝的字節(jié)數(shù)組
• public synchronized int size()：返回 buf 的有效字節(jié)數(shù)
• public synchronized String toString()：返回該數(shù)組對(duì)應(yīng)的字符串形式

注意到，這兩個(gè)流雖然被稱(chēng)作「流」，但是它們本質(zhì)上并沒(méi)有像真正的流一樣去分配一些資源，所以我們無(wú)需調(diào)用它的 close 方法，調(diào)了也沒(méi)用（人家官方說(shuō)了，has no effect）。

測(cè)試的案例就不放出來(lái)了，等會(huì)我會(huì)上傳本篇文章用到的所有代碼案例，大家自行選擇下載即可。

為了控制篇幅，余下流的學(xué)習(xí)，放在下篇文章。

文章中的所有代碼、圖片、文件都云存儲(chǔ)在我的 GitHub 上：

(https://github.com/SingleYam/overview_java)

大家也可以選擇通過(guò)本地下載。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，如果有疑問(wèn)大家可以留言交流，謝謝大家對(duì)腳本之家的支持。

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