Java字節(jié)流和字符流及IO流的總結(jié)

更新時間：2021年04月25日 09:33:25 作者：雙子孤狼

本文主要將Java中的IO流進行了梳理，通過將其分成字節(jié)流和字符流，以及輸入流和輸出流分別統(tǒng)計，來建立一個對 Java中IO流全局的概念，通過一些實例來演示了如何通過不同類型的流來組合實現(xiàn)強大靈活的輸入和輸出，最后介紹了同時支持輸入和輸出的 RandomAccessFile。

從接收輸入值說起

在日常的開發(fā)應(yīng)用中，有時候需要直接接收外部設(shè)備如鍵盤等的輸入值，而對于這種數(shù)據(jù)的接收方式，我們一般有三種方法：字節(jié)流讀取，字符流讀取，Scanner 工具類讀取。

字節(jié)流讀取

直接看一個例子：

public class Demo01SystemIn {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        int a = System.in.read();
        System.out.println(a);
        char c = 'a';
        System.out.println((int) c);
    }
}

運行程序之后，會被 read 方法阻塞，這時候在控制臺輸入一個字符 a，那么上面的程序兩句話都會輸出 97，這個沒問題，因為小寫字母 a 對應(yīng)的就是 97，那么假如我們輸入一個中文會出現(xiàn)什么結(jié)果呢？

把上面示例中的 a 修改為中，然后運行程序，在控制臺同樣輸入中，則會得到 228 和 20013，這就說明我們控制臺輸入的中并沒有全部讀取，原因就是 read 只能讀取 1 個字節(jié)，為了進一步驗證結(jié)論，我們將上面的例子進行改寫：

public class Demo01SystemIn {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        char a = (char) System.in.read();//讀取一個字節(jié)
        System.out.println(a);
        char c = '中';
        System.out.println(c);
    }
}

運行之后得到如下結(jié)果：

可以看到，第一個輸出亂碼了，因為 System.in.read() 一次只能讀取一個字節(jié)，而中文在 utf-8 編碼下占用了 3 個字節(jié)。正因為 read 方法一次只能讀取一個字節(jié)，所以其范圍只能在 -1~255 之間，-1 表示已經(jīng)讀取到了結(jié)尾。

那么如果想要完整的讀取中文應(yīng)該怎么辦呢？

字符流讀取

我們先看下面一個例子：

public class Demo01SystemIn {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        InputStreamReader inputStreamReader1 = new InputStreamReader(System.in);
        int b = inputStreamReader1.read();//只能讀一個字符
        System.out.println(b);

        InputStreamReader inputStreamReader2 = new InputStreamReader(System.in);
        char[] chars = new char[2];
        int c = inputStreamReader2.read(chars);//讀入到指定char數(shù)組，返回當前讀取到的字符數(shù)
        System.out.println("讀取的字符數(shù)為：" + c);
        System.out.println(chars[0]);
        System.out.println(chars[1]);
    }
}

運行之后，輸出結(jié)果如下所示：

這個時候我們已經(jīng)能完成的讀取到一個字符了，當然，有時候為了優(yōu)化，我們需要使用 BufferedReader 進行進一步的包裝：

BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

這種方式雖然解決了讀取中文會亂碼問題，但是使用起來也不是很方便，所以一般讀取鍵盤輸入信息我們都會采用 Scnner 來讀取。

Scanner 讀取

Scanner 實際上還是對 System.in 進行了封裝，并提供了一系列方法來讀取不同的字符類型，比如 nextInt，nextFloat，以及 next 等。

public class Demo02Scnner {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (scanner.hasNextInt()){
            System.out.println(scanner.nextInt());
        }
    }
}

什么是 IO 流

流是一種抽象概念，它代表了數(shù)據(jù)的無結(jié)構(gòu)化傳輸（摘自百度百科）。IO 流對應(yīng)的就是 InPut 和 Output，也就是輸入和輸出。輸入和輸出這個概念是針對于應(yīng)用程序而言，比如當前程序中需要讀取文件中的內(nèi)容，那么這就是輸入，而如果需要將應(yīng)用程序本身的數(shù)據(jù)發(fā)送到其他應(yīng)用，就對應(yīng)了輸出。

字節(jié)流和字符流

根據(jù)流的處理方式又可以將流可以分為兩種類型：字節(jié)流和字符流。

字節(jié)流

字節(jié)流讀取的基本單位為字節(jié)，采用的是 ASCII 編碼，通常用來處理二進制數(shù)據(jù)，其頂層抽象類為 InputStream 和 OutputStream，比如上面示例中的 System.in 實際上就是獲取到了一個 InputStream 類。

Java 中的流家族非常龐大，提供了非常多的具有不同功能的流，在實際應(yīng)用中我們可以選擇不同的組合達到目的。

字節(jié)輸入流

下圖為字節(jié)輸入流家族關(guān)系示意圖：

從上圖可以看出這些結(jié)構(gòu)非常清晰，首先是一個最頂層的接口，其次就是一些不同功能的基礎(chǔ)流，比如我們最常用的 FileInputStream 就是用來讀取文件的，這其中有一個 FilterInputStream 流，這個流主要是用來擴展基礎(chǔ)流功能，其本身只是簡單的覆蓋了父類 InputStream 中的所有方法，并沒有做什么特殊處理，真正的功能擴展需要依賴于其眾多的子類，比如最常用的 BufferedInputStream 提供了數(shù)據(jù)的緩沖，從而提升讀取流的效率，而 DataInputStream 是可以用來處理二進制數(shù)據(jù)等等。

通過這些眾多不同功能的流來組合，可以靈活的讀取我們需要的數(shù)據(jù)。比如當我們需要讀取一個二進制文件，那么就需要使用 DataInputStream，而 DataInputStream 本身不具備直接讀取文件內(nèi)容的功能，所以需要結(jié)合 FileInputStream：

FileInputStream fin = new FileInputStream("E:\\test.txt");
DataInputStream din = new DataInputStream(fin);
System.out.println(din.readInt());

同時，如果我們想要使用緩沖機制，又可以進一步組裝 BufferedInputStream：

FileInputStream fin = new FileInputStream("E:\\test.txt");
DataInputStream din = new DataInputStream(new BufferedInputStream(fin));
System.out.println(din.readInt());

還有一種流比較有意思，那就是 PushbackInputStream，這個流可以將讀出來的數(shù)據(jù)重新推回到流中：

public class Demo03 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileInputStream fin = new FileInputStream("E:\\test.txt");//文檔內(nèi)存儲 abcd
        PushbackInputStream pin = new PushbackInputStream(new BufferedInputStream(fin));

        int a = pin.read();//讀取到a
        System.out.println(a);
        if (a != 'b'){
            pin.unread(a);//將 a 推回流中
        }
        System.out.println(pin.read());//再次讀取到 a
        System.out.println(pin.read());//讀取到 b
        System.out.println(pin.read());// 讀取到 c
    }
}

字節(jié)輸出流

下圖為字節(jié)輸出流家族關(guān)系示意圖：

這個結(jié)構(gòu)和輸入流的結(jié)構(gòu)基本類似，同樣的我們也可以通過組合來實現(xiàn)不同的輸出。

比如普通的輸出文件，可以使用 FileOutputStream 流：

FileOutputStream fout = new FileOutputStream("E:\\test2.txt");
fout.write(1);
fout.write(2);

如果想要輸出二進制格式，那么就可以組合 DataOutputStream 流：

FileOutputStream fout = new FileOutputStream("E:\\test2.txt");
DataOutputStream dout = new DataOutputStream(fout);
dout.write(9);
dout.write(10);

緩沖流的原理

IO 操作是一個比較耗時的操作，而字節(jié)流的 read 方法一次只能返回一個字節(jié)，那么當我們需要讀取多個字節(jié)時就會出現(xiàn)每次讀取都要進行一次 IO 操作，而緩沖流內(nèi)部定義了一個大小為 8192 的 byte 數(shù)組，當我們使用了緩沖流時，讀取數(shù)據(jù)的時候則會一次性最多讀取 8192 個字節(jié)放到內(nèi)存，然后一個個依次返回，這樣就大大減少了 IO 次數(shù)；同樣的，寫數(shù)據(jù)時，緩沖流會將數(shù)據(jù)先寫到內(nèi)存，當我們寫完需要寫的數(shù)據(jù)時再一次性刷新到指定位置，如磁盤等。

字符流

字符流讀取的基本單位為字符，采用的是 Unicode 編碼，其 read 方法返回的是一個 Unicode 碼元（0~65535）。

字符流通常用來處理文本數(shù)據(jù)，其頂層抽象類為 Reader 和 Write，比如文中最開始的示例中的 InputStreamReader 就是繼承自 Reader 類。

字符輸入流

下圖為字符輸入流家族關(guān)系示意圖：

上圖可以看出，除頂層 Reader 類之外，字符流也提供了一些基本的字符流來處理文本數(shù)據(jù)，比如我們需要從文本讀取內(nèi)容：

public class Demo05Reader {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //字節(jié)流
        FileInputStream fin = new FileInputStream("E:\\test.txt");//文本內(nèi)容為“雙子孤狼”
        System.out.println(fin.read());//372
        //字符流
        InputStreamReader ir = new InputStreamReader(new FileInputStream("E:\\test.txt"));//文本內(nèi)容為“雙子孤狼”
        System.out.println(ir.read());//21452
        char s = '雙';
        System.out.println((int)s);//21452
    }
}

輸出之后可以很明顯看出區(qū)別，字節(jié)流一次讀入一個字節(jié)，而字符流一次讀入一個字符。

當然，我們也可以采用自由組合的方式來更靈活的進行字符讀取，比如我們結(jié)合 BufferedReader 來讀取一整行數(shù)據(jù)：

public class Demo05Reader {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        InputStreamReader ir = new InputStreamReader(new FileInputStream("E:\\test.txt"));//文本內(nèi)容為“雙子孤狼”
        BufferedReader br = new BufferedReader(ir);
        String s;
        while (null != (s = br.readLine())){
            System.out.println(s);//輸出雙子孤狼
        }
    }
}

字符輸出流

下圖為字符輸出流家族關(guān)系示意圖：

文本輸出，我們用的最多的就是 PrintWriter，這個類我想絕大部分朋友都使用過：

public class Demo06Writer {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        PrintWriter printWriter = new PrintWriter("E:\\test3.txt");
        printWriter.write("雙子孤狼");
        printWriter.flush();
    }
}

這里和字節(jié)流的區(qū)別就是寫完之后需要手動調(diào)用 flush 方法，否則數(shù)據(jù)就會丟失，并不會寫到文件中。

為什么字符流需要 flush，而字節(jié)流不需要

字節(jié)流不需要 flush 操作是因為字節(jié)流直接操作的是字節(jié)，中途不需要做任何轉(zhuǎn)換，所以直接就可以操作文件，而字符流，說到底，其底層還是字節(jié)流，但是字符流幫我們將字節(jié)轉(zhuǎn)換成了字符，這個轉(zhuǎn)換需要依賴字符表，所以就需要在字符和字節(jié)完成轉(zhuǎn)換之后通過 flush 操作刷到磁盤中。

需要注意的是，字節(jié)輸出流最頂層類 OutputStream 中也提供了 flush 方法，但是它是一個空的方法，如果有子類有需要，也可以實現(xiàn) flush 方法。

RandomAccessFile

RandomAccessFile 是一個隨機訪問文件類，其可以在文件中的任意位置查找或者寫入數(shù)據(jù)。

public class Demo07RandomAccessFile {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //文檔內(nèi)容為 lonely wolf
        RandomAccessFile inOut = new RandomAccessFile(new File("E:\\test.txt"),"rw");
        System.out.println("當前指針在：" + inOut.getFilePointer());//默認在0
        System.out.println((char) inOut.read());//讀到 l
        System.out.println("當前指針在：" + inOut.getFilePointer());
        inOut.seek(7L);//指針跳轉(zhuǎn)到7的位置
        System.out.println((char) inOut.read());//讀到 w
        inOut.seek(7);//跳回到 7
        inOut.write(new byte[]{'c','h','i','n','a'});//寫入 china,此時 wolf被覆蓋
        inOut.seek(7);//繼續(xù)跳回到 7
        System.out.println((char) inOut.read());//此時因為 wolf 被 china覆蓋，所以讀到 c
    }
}

根據(jù)上面的示例中的輸出結(jié)果，可以看到 RandomAccessFile 類可以隨機指定指針，并隨機進行讀寫，功能非常強大。

另外需要說明的是，構(gòu)造 RandomAccessFile 時需要傳入一個模式，模式主要有 4 種：