從本文開始,將正式進入JavaIO的簡介 在繼續javaIO系列的文章之前 可以過去看一下 本人部落格上的設計模式中的 介面卡模式和裝飾器模式 這會對接下來的閱讀大有幫助 本文是從邏輯上介紹整個的Java IO類家譜畫像.

1.流

計算機以及網際網路的世界發展不過短短几十年,但是這幾十年卻是日新月異 系統的複雜度也越來越高,程式設計語言的抽象程度也越來越高 但是無論如何都繞不開一個話題,那就是IO 之前已經介紹過,IO 就是輸入 和 輸出, 入和出是相對於應用程式來說的 而且,經常一個程式的輸出可能是另一個程式的輸入 這本身就是一個抽象的概念 並沒有"必須怎麼樣,那才叫IO"的說法 從資料庫,從檔案,從記憶體,從網路拿資料,你都可以叫做輸入,資料寫出,都可以叫做輸出,這並沒有什麼好糾結的 在java中使用流這一概念來描述輸入和輸出

流的字面含義

百度百科中是這樣描述流的, 可以看得出來 , 流本身就包含了 這樣一層含義 

物質      一個地方      流向了      另一個地方

在繼續之前,我們先回想下放暑假或者開學時候的場景 假定你需要做汽車和火車,如下圖所示 上圖中有幾個關鍵概念

主體	人     人從一個地方到了另一個地方
源/目的	學校/家
方向	回家或者返校       圖中的兩個箭頭
中間形式	火車和汽車

1.1流到底是什麼

我們再舉一個比較簡單的例子, 使用 水管 往桶裡面加水或者抽水

源/主體內容/方向 水桶, 作為一個容器,他就是  源 裡面可能裝了水,也可能裝了酒,還可能裝了別的, 這就是資料形式主體 箭頭表示方向,到底是往裡面流還是往外抽

中間形式 我們都知道,水管可不全都是一種規格的,就拿家裡裝修常用的水管就有 4/6分管 兩種 如果有一個閥門或者水龍頭是6分管,而你接入桶裡面的是4分管 怎麼辦? 顯然,你會找一個轉接頭一類的東西,這就是下圖中的黃色,橙紅色,綠色代表的部分,他們就是不同的水管 通過轉接頭與另外一種規格的水管能夠連線起來,這就是中間形式

抽水模型中的流 在這個例子中,流就是對於抽水這一過程的抽象描述. 一個水管裡面的水的走向, 設定好了之後, 就是固定了的, 他要麼往這頭, 要麼往另一頭 而且,他肯定有一個源頭/目的,水管得水不能憑空來,水管也不能憑空抽取水 另外,水管顯然不僅僅只是能抽取水, 他還可以輸送別的液體,比如酒,水,飲料,醬油醋...... 而且,如果有了各種不同規格的水管以及轉接頭,你的這個管道將會更加強大 所以說,容器 桶 接上了水管,就有能力提供水或者儲存水,他就是一個流 如果這個流在整合上各種不同規格的轉接頭和水管,能力將會大大提升

1.2程式語言中的流的主要概念

含義/源/方向/資料形式/中間形式

流的含義: 在程式設計中,流是對於資料流動傳輸的一種抽象描述 任何有能力產出資料的資料來源,或者有能力接受資料的接收端物件都是一個流 (也就是上面例子中的一個容器接上水管)

流的源和目的: 資料可能從本地檔案讀取,或者寫入,  也可能傳送到網路上,這就是源和目的

流的方向: 同水管裡面的流水一樣,也是隻有兩個方向,流進或者流出,也就是我們常說的輸入  和  輸出

流的資料形式: 資料的具體形式就是流傳送的內容,可能是位元組,也能是字元,這就是資料的形式

流的中間形式: 對於任何一個流對它的功能進行一些必要的擴充,就好像接上了轉接頭的流可以接到其他規格的水管一樣 在一個流的基礎上 包裝,裝飾上其他的一些功能,流就會變得更加強大

1.3 流相關概念詳細解讀

1.3.1 流的源和目的

1.檔案 最基本的一個數據源就是我們前文提到過的檔案,檔案不僅java中有,其他語言中也擁有檔案的概念

2.位元組陣列 資料最基本的單位是位元組 陣列是在程式設計中，為了處理方便， 把具有相同型別的若干變數按有序的形式組織起來的一種形式 這些按序排列的同類資料元素的集合稱為陣列 所以位元組陣列,自然是為了更方便操作位元組的一種資料組織形式

3. 字元陣列/String物件 既然陣列可以簡化更方便的進行操作,而且也有位元組陣列 是不是還應該有字元陣列呢? 而且,java中的String物件 ,它的內部實現也是char陣列,java中使用char表示字元,這不就是字元陣列麼

4. 管道 "管道"的概念也是類似字面含義,一端輸入,就可以從一端流出,就好像一個水管一樣, 主要用來多執行緒之間直接進行資料互動,所以說資料來源也可能是一個管道

5.網路等 其他資料來源比如網路等,java的強項就是WEB,從網路接收資料是再自然不過的事情

6.流 另外流本身也可以作為一種源,所以一個流的源可以來自另外的一個流

1.3.2 流的方向

流的方向很簡單,只有兩個方向,輸入 或者 輸出

1.3.3 流的資料形式

計算機儲存資料是二進位制的 0 1 序列 計算機中儲存容量的最小的單位是位（bit）最基本的單位是位元組（byte） 位元組是通過網路傳輸資訊（或在硬碟或記憶體中儲存資訊）的單位 也就是說任何其他形式的資料,都可以而且,最終也都是用位元組來表示 所以資料最基本的形式就是位元組  1  byte = 8 bit

我們的世界充滿了各種符號 字元是表示資料和資訊的字母、數字或其他符號 在電子計算機中，每一個字元與一個二進位制編碼相對應,這是一個編碼的過程

所以說,資料的基本形式有  位元組 和 字元兩種形式

1.3.4流的中間形式

放學回家的例子,我們很清楚的知道,火車和汽車是我們 人的中間形式過程,經過轉換(買票上車),  地上的人看不到我們了,看到的只是火車 對於流來說,中間形式是什麼樣子的呢? 比如我們想要把一個Int型別直接寫入到檔案中,怎麼辦呢? 我們是不是需要把這個型別的資料處理下 轉換下呢  或者說包裝下 就如同你坐上了車(車把你裝了進去,形式就是車),總之就是要處理下 比如想要緩衝,按照行,按照字等等 這就是一種中間形式,後面我們會詳細介紹涉及到的中間形式

不過很顯然,中間形式並沒有向從某種資料來源讀取資料那麼剛需 但是他會給你提供更多的功能,讓你的流功能更加多變,擴充套件 如果有了中間形式,你可能就能夠直接把一個int寫入到檔案上,這不是很方便麼

1.3.5流的種類-基本功能 擴充套件功能

想要完成一個IO類庫的基本功能,只需要把握住三點

1. 流的源和目的 2. 流的資料形式  3. 流的方向

想要做得更好就需要把握好流的中間形式,提供更強大的功能

流的源和目的	檔案 / 位元組陣列 /管道 /字元陣列/String物件 / 網路 / 流
流的資料形式	字元  /  位元組
流的方向	輸入  / 輸出

現在我們掌握了流的基本屬性,上表中的三種,也掌握了他們可能的變數值  很簡單,只需要使用簡單的組合進行計算,我們就可以列舉出來所有可能的組合 下面我們試著列一些(並不會列出來全部內容)

檔案(源)	輸入	位元組
檔案(源)	輸入	字元
檔案(目的地)	輸出	位元組
檔案(目的地)	輸出	字元
位元組陣列(源)	輸入	位元組
位元組陣列(源)	輸入	字元
位元組陣列(目的地)	輸出	位元組
位元組陣列(目的地)	輸出	字元
管道(源)	輸入	位元組
管道(源)	輸入	字元
管道(目的地)	輸出	位元組
管道(目的地)	輸出	字元

等等................等等................ 還有很多種組合,   我相信你肯定可以排列的出來 不過很顯然,我們此處只是簡單的羅列,窮舉出所有組合的可能 對於類庫的設計自然不能這麼簡單暴力,或許有些組合沒有必要,或許有些組合不符合邏輯 去掉那些無用的,不合邏輯的,無意義的,那麼剩下來的組合形式,其實就是IO類庫要解決的問題 也就是就剩下了我們現在看得到的JavaIO類庫了 接下來從整體上對IO類庫進行介紹

2. JAVA  IO類庫體系結構

java.io java.io包中(JDK8),有87個類,其中有一些輔助類 還有一些異常類 去掉這些之後,剩下的絕大多數都是IO類體系的直接相關類,看起來很雜亂繁多 我們接下來講從整體上對涉及到的IO類進行介紹,等看完本篇文章,相信你應該能有一個整體的把控 只有從整體把控才有可能掌握整個完整的類家族

2.1 流的四大家族

如果先不考慮資料的來源,根據流的方向(輸入 和 輸出)以及流的資料形式(字元 和 位元組) 我們有四種形式

輸入	位元組
輸出	位元組
輸入	字元
輸出	字元

四種形式	輸入位元組	輸出位元組	輸入字元	輸出字元
Java中名稱	InputStream	OutPutStream	Reader	Writer

可以看得出來在命名上,類庫設計者的一些想法 把位元組使用Stream作為字尾,或許因為位元組是最基本的單位,所以他才是流Stream 我們平時閱讀  read和書寫write的都是字元,所以使用Reader 和 Writer表示字元的輸入和輸出也很自然

節點流與過濾流

我們上面講述流的含義概念時,反覆提到了流的基本功能以及中間形式 基本功能就是針對於不同資料來源的操作,屬於剛需範圍 而中間形式則是剛需的強有力的增強 流的資料來源/目的  流的方向  流的資料型別的組合,構成了基本功能的完整集合 而對於增強型的流的形式,則是Java IO出彩的地方,屬於增強型的功能 java中針對於基本資料來源進行操作的流叫做 節點流 而對於那些起到增強裝飾功能的流,叫做過濾流 按照我們上面的思維邏輯 只需要把相關的資料來源與我們上面的這四種基本形式進行組合 就可以得到流的基本功能家族,也就是節點流 根據節點流需要的拓展功能,我們就可以推演出來過濾流 2.2  流體系類層次結構詳解

2.2.1  InputStream

2.2.1.1  InputStream節點流

資料來源與InputStream的結合

位元組陣列	ByteArrayInputStream (java.io)
檔案	FileInputStream (java.io)
管道	PipedInputStream (java.io)
String	StringBufferInputStream (java.io)
物件	ObjectInputStream (java.io)

上面就是IO類庫提供給我們的基礎功能 也就是可用的有效的合理的資料來源與InputStream的組合(InputStream  流的方向與流的資料形式的組合)

類名	功能	構造方法
ByteArrayInputStream	從位元組陣列中讀取資料,也就是從記憶體中讀取資料 包含一個內部緩衝區，指向該位元組陣列 內部計數器跟蹤 read 方法要提供的下一個位元組 關閉 ByteArrayInputStream 無效 此類中的方法在關閉此流後仍可被呼叫，而不會產生任何 IOException	ByteArrayInputStream(byte buf[]) ByteArrayInputStream(byte buf[], int offset, int length) 不是複製而來,直接指向地址 多引數的帶偏移量
FileInputStream	用於從檔案中讀取資訊	FileInputStream(String name) FileInputStream(File file) FileInputStream(FileDescriptor fdObj) 使用檔案路徑名  抽象路徑名File 或者檔案描述符
PipedInputStream	產生用於寫入相關Pipe的OutputStream的資料 實現管道化的概念 管道輸入流應該連線到管道輸出流； 管道輸入流提供要寫入管道輸出流的所有資料位元組 通常，資料由某個執行緒從 PipedInputStream 物件讀取 並由其他執行緒將其寫入到相應的 PipedOutputStream 不建議對這兩個物件嘗試使用單個執行緒，因為這樣可能死鎖執行緒	PipedInputStream(PipedOutputStream src) PipedInputStream(PipedOutputStream src, int pipeSize) PipedInputStream() PipedInputStream(int pipeSize)
StringBufferInputStream	棄用,如果條件允許可以考慮使用StringReader
ObjectInputStream	對以前使用 ObjectOutputStream 寫入的基本資料和物件進行反序列化 ObjectOutputStream 和 ObjectInputStream 分別與 FileOutputStream 和 FileInputStream 一起使用時 可以為應用程式提供對物件圖形的持久儲存 ObjectInputStream 用於恢復那些以前序列化的物件 其他用途包括使用套接字流在主機之間傳遞物件，或者用於編組和解組遠端通訊系統中的實參和形參。	ObjectInputStream(InputStream in) ObjectInputStream()

SequenceInputStream可以說既不是節點流也不是過濾流,硬要算的話,可以說是節點流 算是一個工具類一樣的存在

SequenceInputStream (java.io)

兩個或者多個InputStream物件轉換為單一的InputStream

SequenceInputStream(InputStream s1, InputStream s2) SequenceInputStream(Enumeration<? extends InputStream> e)

2.2.1.2  InputStream過濾流

介紹過了InputStream的節點流,我們看下,我們還希望InputStream能夠哪些擴充套件的功能,也就是上面提到過的 流的中間形式

我們之前就提到過,希望能夠有直接操作資料型別的流,通過這個流可以直接操作基本資料型別的讀寫,而不需要自己去處理位元組或者位元組陣列等 也就是說我們希望能夠對基本資料型別進行支援

IO是作業系統的瓶頸,如果過於頻繁的直接對磁碟IO進行讀寫,勢必會增加CPU的空閒,效能降低,我們希望能夠有緩衝的功能

IDE開發工具的編輯器都有行號的標誌,行號可以給我們提供很多的便捷性,所以希望能夠跟蹤展示行號

比如當我們用程式讀取一行程式碼,識別其中的關鍵字 比如 int i = 0; 讀取到int時,我們不知道他是不是關鍵字,可能是一個int0的變數名 讀取到下一個的時候,發現是空格,我們才能確定,他就是一個關鍵字 但是下面的空格已經被讀取了,我們可能希望接下來的掃描能夠讀取到空格,可是流是順序的,被消費了就不存在了 所以希望能夠把讀取到的位元組回退到原來的流中

於是就有了  支援基本資料型別/快取/行號/回退  這幾種擴充套件功能的想法 功能點和InputStream組合下可以得到如下四種擴充套件功能   Data表示基本資料型別  Buffer 表示緩衝  LineNumber表示行號 PushBack表示回退

DataInputStream (java.io) BufferedInputStream (java.io) LineNumberInputStream (java.io) PushbackInputStream (java.io)

到底怎麼實現呢? 顯然我們可以直接通過實現InputStream來實現這幾個子類,用於表示這幾個功能 但是就又出現了一個問題,如果既想要 支援基本資料型別,又想具有緩衝的功能怎麼辦? 如果還用繼承的想法會出現什麼問題? 那就又回到了組合的問題上來了,4種功能就會出現4*3*2*1=24 中組合,類的個數直接爆炸了..... 回想下我們之前想到過的設計模式---> 裝飾器模式 就可以完美的解決這個問題,裝飾器模式是繼承的一種良好替代方式,能過有效的避免類的個數的爆炸問題 並且還能夠動態的增加或者減少功能 看下UML圖 通過UML圖可以看得到,我們還需要一個Decorator類,我們的具體的裝飾類個數不止一個,顯然不能省略這個Decorator抽象類 (不清楚裝飾器模式的沒辦法理解這種邏輯,請務必看明白裝飾器模式) 這個Decorator就是我們的FilterInputStream (java.io)  

看下類圖,黑色部分為裝飾器模式的角色 節點流表示上面說到的節點流 ByteArrayInputStream/FileInputStream/PipedInputStream/ObjectInputStream/StringBufferInputStream FilterInputStream中包含一個InputStream屬性(是你還有你)

下面我們看下InputStream下的類繼承體系 現在你是否已經可以大致的明白,這些類都是做什麼的了呢? 另外還有一些不在java.io包中的類 這些不是IO主體系內的東西,但是依賴於IO ,從事著跟IO相關的一些工作,所以也擴充套件自InputStream 後面將會單獨進行介紹,此處不展開討論

SocketInputStream (java.net) CheckedInputStream (java.util.zip) DeflaterInputStream (java.util.zip) GZIPInputStream (java.util.zip) InflaterInputStream (java.util.zip) ZipInputStream (java.util.zip) JarInputStream (java.util.jar)

2.2.2 OutputStream

2.2.2.1  OutputStream節點流

資料來源與OutputStream的結合

位元組陣列	ByteArrayOutputStream (java.io)
檔案	FileOutputStream (java.io)
管道	PipedOutputStream (java.io)
物件	ObjectOutputStream (java.io)

仍舊是資料來源與OutputStream的組合

ByteArrayOutputStream	其中的資料被寫入一個 byte 陣列 緩衝區會隨著資料的不斷寫入而自動增長, 可使用 toByteArray() 和 toString() 獲取資料 關閉 ByteArrayOutputStream 無效 此類中的方法在關閉此流後仍可被呼叫，而不會產生任何 IOException	ByteArrayOutputStream() ByteArrayOutputStream(int size) 無參會呼叫有參,設定預設值
FileOutputStream	資訊寫入檔案	FileOutputStream(String name) FileOutputStream(String name, boolean append) FileOutputStream(File file) FileOutputStream(File file, boolean append) FileOutputStream(FileDescriptor fdObj) 與FileInputStream幾乎一樣,不同的是第二個引數用於設定是否是append追加
PipedOutputStream	可以將管道輸出流連線到管道輸入流來建立通訊管道 管道輸出流是管道的傳送端 通常，資料由某個執行緒寫入 PipedOutputStream 物件 並由其他執行緒從連線的 PipedInputStream 讀取 不建議對這兩個物件嘗試使用單個執行緒，因為這樣可能會造成該執行緒死鎖	PipedOutputStream(PipedInputStream snk) PipedOutputStream()
ObjectOutputStream	ObjectOutputStream 將 Java 物件的基本資料型別和圖形寫入 OutputStream 可以使用 ObjectInputStream 讀取（重構）物件 通過在流中使用檔案可以實現物件的持久儲存 如果流是網路套接字流，則可以在另一臺主機上或另一個程序中重構物件	ObjectOutputStream(OutputStream out) ObjectOutputStream()

2.2.2.2  OutputStream過濾流

類似InputStream,OutputStream也需要有支撐基本資料型別的功能,以及緩衝的功能 另外,既然是輸出,還希望能夠輸出各種型別的資料,這樣子將會更加方便 也就是 

基本資料型別支援/緩衝/便捷輸出

DataOutputStream (java.io) BufferedOutputStream (java.io) PrintStream (java.io)

同InputStream 一樣 擴充套件的功能,類庫設計者依然是使用裝飾器模式 FilterOutputStream (java.io)  是我們的Decorator 完整的家譜

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