IO学习（1）Java-BIO体系学习

JAVA BIO体系学习

java-BIO-系统图

2. JAVA BIO总结

2.1 IO流的分类

按照不同的分类方式，可以将流分成不同的类型。常用的分类有三种。

  1. 按照流的流向：输出流和输入流；
  2. 按照操作单元：字节流和字符流；
  3. 按照角色划分：节点流和处理流；

2.1.1 按照流的流向，分为输入流和输出流

因为流是单向的，所以出现了输入流和输出流。

  • 输入流：只能从流中读取数据，而不能向流中写入数据。
  • 输出流：只能向流中写入数据，而不能从流中读取数据。

参考系不同，输入流和输出流概念容易混乱：首先我们是站在JVM的角度的。

  • 输入流：数据输入到JVM中，JVM只能读取呀；
  • 输出流：数据要从JVM输出，JVM只能写入呀；

如图15.1所示，数据从内存流入硬盘，通常被称为 输出流 。

输入流和输出流

如图15.2所示，数据从服务器通过网络流入客户端，这种情况下，服务器JVM将数据输出到网络中，即为输出流；客户端将数据从网络输入到JVM中，即为输入流；

在Java中，输入流主要是InputStream和Reader作为基类，而输出流则是由OutputStream和Writer作为基类。他们都是一些抽象基类，无法之间创建实例。

2.1.2 按照操作单元划分，分为字节流和字符流

字节流主要是由InputStream和OutputStream作为基类，而字符流则主要有Reader和Writer作为基类。

字节流和字符流的用法几乎完全一样，区别就是字节流和字符流所操作的数据单元不同，字节流操作的单元是字节（占8bit），字符流操作的数据单元是字符（占16bit）。

2.1.3 按照流的角色划分，分为节点流和处理流。

向一个特定的IO设备（磁盘，网络）读/写数据的流，称为节点流。也称为低级流

处理流：则用于对一个已存在的流进行连接和封装，通过封装后的流来实现数据的读/写功能，如BufferedReader，处理流的构造方法总是要带一个其他流对象做参数。一个流对象经过其他流的多次包装，称为流的连接。

如图15.3所示，当使用节点流进行输入/输出时，程序直连到实际的数据源。

如图15.4所示，当使用处理流进行输/和输出时，程序不会直接连接到实际的数据源，处理流可以“嫁接”到任何已存在流的基础上。使用处理流的明细好处就是：程序可以使用完全相同的输入代码/输出代码来访问不同的数据源。

节点流和处理流

2.2 IO流原理分析以及分类

2.2.1 IO流的原理浅析

对于输入流InputStream和Reader而言，可以将输入设备抽象成一个”水管“，数据就像”水滴“，如图所示：

输入流模型

输入流就是将数据输入到JVM（内存）中。字节流和字符流就是处理单位不同，但是处理方式是类型的。

输入流使用“隐式”的记录指针来表示当前正准备从哪个“水滴”开始读取，每当程序从InputStream或Reader里面取出一个或多个“水滴”后，记录指针就向后移动。

输出流和处理流模型

对于OutputStream和Writer而言，同样把输出设备抽象成一个“水管”，只是里面没有任何水滴。

图15.5和图15.6 显示了Java IO的基本概念模型。

处理流的功能主要体现在两个方面：

  • 性能提高：主要是增加缓冲的方式来提高输入和输出效率。
  • 操作便捷：处理流可以“嫁接”到任何已经存在的流的基础上，这就允许Java应用程序采用相同的代码，透明的方式来访问不同的输入和输出设备的数据流。

2.2.2 BIO常用流的分类表

JAVA BIO流共涉及40多个类，看上去很是繁杂，但是实际上都有规则，都是在如下4个抽象基类中派生出来的。

  • InputStream字节输入流，Reader字符输入流；
  • OutputStream字节输出流，Writer字符输出流；
  • 表中粗体类：表示节点流，必须和物理节点相连。
  • 表中斜体类：表示抽象基类，无法直接创建实例。
分类 字节输入流 字节输出流 字符输入流 字符输出流
抽象基类 InputStream OutputStream Reader Writer
访问文件 FileInputStream FileOutputStream FileReader FileWriter
访问数组 ByteArrayInputStream ByteArrayOutputStream CharArrayReader CharArrayWriter
访问管道 PipedInputStream PipedOutputStream PipedReader PipedWriter
访问字符串 StringReader StringWriter
访问管道 BufferedInputStream BufferedOutputStream BufferedReader BufferedWriter
转换流 InputStreamReader OutputStreamWriter
对象流 ObjectInputStream ObjectOutputStream
抽象基类 FilterInputStream FilterOutputStream FilterReader FilterWriter
打印流 PrintStream PrintWriter
推回输入流 PushbackInputStream PushbackReader
特殊流 DataInputStream DataOutputStream

2.3 常用BIO的用法

2.3.1 BIO体系的基类

InputStream/Reader，OutputStream/Writer是输入/输出流的基类，虽然本身不能创建实例来执行输入，但是他们是BIO所有类的父类。

2.3.1.1. InputStream和Reader是所有输入流的基类

1. InputStream 读数据相关方法

从输入流读取数据的下一个字节。 值字节被返回作为int范围0至255 。
如果没有字节可用，因为已经到达流的末尾，则返回值-1 。
该方法阻塞直到输入数据可用，检测到流的结尾，或抛出异常。 
public abstract int read() throws IOException

从输入流读取一些字节数，并将它们存储到缓冲区b 。 
实际读取的字节数作为整数返回。 
该方法阻塞直到输入数据可用，检测到文件结束(返回-1)或抛出异常。
public int read(byte[] b) throws IOException

从输入流读取len字节的数据到一个字节数组。 
尝试读取多达len个字节，但可以读取较小的数字。
实际读取的字节数作为整数返回。文件末尾返回-1 
public int read(byte[] b,int off,int len) throws IOException

2. Reader 中读数据相关方法

方法基本和InputStream相同，只是读取是一个字符。
public int read() throws IOException
public int read(char[] cbuf) throws IOException
public abstract int read(char[] cbuf, int off,int len) throws IOException

3. InputStream和Reader提供了一些指针移动的方法

标记此输入流中的当前位置。对reset方法的后续调用会将
该流重新定位在最后一个标记的位置，以便后续读取重新读取相同的字节。
readlimit - 标记位置无效之前可以读取的最大字节数。 
public void mark(int readlimit)

测试这个输入流是否支持mark和reset方法。 
public boolean markSupported()

将此流重新定位到上次在此输入流上调用mark方法时的位置。 
public void reset() throws IOException

跳过并丢弃来自此输入流的n字节数据。 
public long skip(long n) throws IOException

2.3.1.2. OutputStream和Writer是所有输出流的基类

OutputStream和Writer用法也非常相似。对于输出数据。提供了下面这三个方法。

OutputStream的API

需要注意的是，因为字符流是直接以字符作为操作单位，所以Writer可以用字符串来代替字符数组。即String类型作为参数输出。

Writer的API

2.3.2 BIO体系的文件流的使用

前面谈过，InputStream/Reader、OutputStream/Writer都是抽象类，本是是不能创建实例的，但是它们分别有一个用于读取文件的输入（出）流FileInputStream/FileReader、FileOutputStream/FileWriter，他们都是节点流——直接会和指定文件关联。

使用InputStream将数据读取到JVM中。

public static void main(String[] args) {
        FileInputStream fis = null;
        try {
            fis = new FileInputStream("D:\\11\\BIO.txt");
            byte[] b = new byte[1024];
            int hasRead = 0;  //fis.read(byte[])返回的数组字节长度
            while ((hasRead = fis.read(b)) > 0) { //将字节读取到Byte中
                System.out.println("hasRead："+hasRead);
                System.out.println(new String(b, 0, hasRead));
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            try {
                fis.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

使用FileReader读取数据到JVM中：

 public static void main(String[] args) throws IOException {
        //使用FileReader读取文件
        FileReader fileReader = null;
        //使用节点流直接读取物理设备上的数据
        try {
            fileReader = new FileReader(new File("D://11/BIO.txt"));
            char[] chars = new char[40];
            //最后一个次数组的长度
            int charRead = 0;
            while ((charRead = fileReader.read(chars)) > 0) {
                System.out.println(new String(chars, 0, charRead));
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            fileReader.close();
        }
    }

上面的程序最后使用了close()方法显示的关闭了文件输入流。Java7改写了所有的IO资源库，他们都实现了AntoCloseable接口，因此都可以通过自动关闭的try语句关闭这些IO流。AntoCloseable接口——我们不需要在finally块手动释放资源，无论成功执行还是抛出异常，try中都会关闭资源。

FileOutputStream和FileWriter是IO的文件输出流，将JVM上的数据输出到文件上

JVM写到文件上：

public static void main(String[] args) throws IOException {
        //使用FileReader读取文件
        FileReader fileReader = null;
        FileWriter fileWriter = null;
        try {
            fileReader = new FileReader(new File("D://11/BIO.txt"));
            fileWriter = new FileWriter("BIO.txt");
            char[] chars = new char[40];
            //最后一个次数组的长度
            int charRead = 0;
            while ((charRead = fileReader.read(chars)) > 0) {
                //JVM写到硬件上
                fileWriter.write(chars, 0, charRead);
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            fileReader.close();
            fileWriter.close();
        }
    }

需要注意的是close()方法不仅可以保证流的物理资源被回收外，还可以将缓冲区中的数据flush到物理节点中。（因为在执行close()方法前，自动执行输出流的flush()方法）。

2.3.3 BIO体系的处理流Buffered流的使用

处理流中的缓冲流BufferedInputStream/BufferedReader、BufferedOutputStream/BufferedWriter作为处理流中的缓冲流。

小胖：上面的read(byte[] bufBytes)；就是缓冲区呀，BufferedInputStream也是缓冲区。他们之间有什么区别。

BufferedInputStream中的fill()方法

  • 进行系统调用是耗时操作，但是无论读取多少数据，每次读取消耗的时间都几乎相等，所以读取等量数据时，使用缓冲区可以减少系统调用的次数，从而减少调用时间。

  • 而BufferedInputStream中执行了System.arraycopy()方法，将自定义的bye[]数组数据（自定义大小：1KB）复制到Buffer区（默认大小：8KB）。每次系统交互读取Buffered区的数据。

使用处理流BufferedXXX处理数据：

 public static void main(String[] args) throws IOException {
        //使用FileReader读取文件
        BufferedReader fileReader = null;
//        BufferedInputStream
        BufferedWriter fileWriter = null;
        try {
            fileReader = new BufferedReader(new FileReader(new File("D://11/BIO.txt")));
            fileWriter = new BufferedWriter(new FileWriter("BIO.txt"));
            char[] chars = new char[40];
            //最后一个次数组的长度
            int charRead = 0;
            while ((charRead = fileReader.read(chars)) > 0) {
                //JVM写到硬件上
                fileWriter.write(chars, 0, charRead);
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            fileReader.close();
            fileWriter.close();
        }
    }

需要注意的是：在上面的代码中，我们使用了缓存流和文件流。处理流在套接到节点流上使用的时候，只需要关闭最上层的处理即可。JAVA会自动帮我们关闭下层的节点流。

2.3.4 BIO体系的转换流的使用

首先转换流(InputStreamReader/OutputStreamReader)是处理流，可以将字节流转换字符流。

字节流转为字符流
 public static void main(String[] args) throws IOException {

        //    public final static InputStream in = null;
        InputStream in = System.in;
        //InputStream 转换为 Reader子类对象
        InputStreamReader reader = new InputStreamReader(System.in);
        //包装Buffered对象
        BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(reader);
        //将数据读入到String中
        String str = null;
        while ((str = bufferedReader.readLine()) != null) {
            System.exit(1);
        }
        System.out.println("输入内容："+str);
    }
}

上面将InputStream转换成Reader，然后在使用BufferedReader进行包装。BufferedReader具有缓存的功能，它可以一次读取一行文本，以换行符为标志。运行上面程序可以发现这个特征，当我们在控制台执行输入时，只有按下回车键，程序才会打印出刚刚输入的内容。

2.3.4 BIO体系的对象流的使用

对象流（ObjectInputStream/ObjectOutputStream）用于实现Serializable接口对象的序列化和反序列化。注意，也是一个处理流。

将内存中对象输出到文本：

public static void main(String[] args) throws IOException {

        User user = new User();
        user.setDate(LocalDate.now());
        user.setName("tom");
        //对象持久化到文本
        FileOutputStream fileOutputStream = null;
        BufferedOutputStream bufferedOutputStream = null;
        ObjectOutputStream objectOutputStream = null;
        try {
            fileOutputStream = new FileOutputStream("user.txt");
            bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(fileOutputStream);
            //使用ObjectOutputStream包装
            objectOutputStream = new ObjectOutputStream(bufferedOutputStream);
            objectOutputStream.writeObject(user);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            objectOutputStream.close();
        }
    }

将文件中对象输入到内存：

 public static void main(String[] args) {
        //将文件读入到内存中
        try {
            InputStream inputStream = new FileInputStream("user.txt");
            BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(inputStream);
            ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(bufferedInputStream);
            User readObject = (User)objectInputStream.readObject();
            System.out.println(readObject);
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

2.3.5 ByteArrayInputStream和ByteArrayOutputStream的作用

对于要创建临时性文件的程序以及网络数据的传输，数据压缩后的传输等可以提高运行的效率，可以不用访问磁盘。

流的来源或者目的地不一定是文件，也可以是内存中的一块空间，例如一个字节数组。

java.io.ByteArrayInputStream和java.io.ByteArrayOutputStream就是将字节数组当做流输入来源、输出目的地的类。

例如：
有时候我们需要对同一个InputStream对象使用多次。比如，客户端从服务器获取数据，利用HttpURLConnection的getInputStream()方法获取Stream对象，这时即要把数据显示到前台（第一次读取），又要把数据写进文件缓存到本地（第二次读取）。
但是第一次读取InputStream对象后，第二次读取时可能已经到了Stream的结尾（EOFException）或者Stream已经close掉了。

关键是我不想再次访问持久化后磁盘，获取数据。

解决：
而InputStream对象本身不能复制，因为它没有实现Cloneable接口。此时，可以先把InputStream转化成ByteArrayOutputStream，后来要使用InputStream对象时，再从ByteArrayOutputStream转化回来即可。

            HttpURLConnection conn = (HttpURLConnection) url.openConnection();
            conn.setRequestMethod("GET");
            conn.setConnectTimeout(5 * 1000);
            //通过输入流获取图片信息
            InputStream is = conn.getInputStream();
            //将字节数组当做输出的目的地
            ByteArrayOutputStream os = new ByteArrayOutputStream();
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len;
            while ((len = is.read(buffer)) > -1) {
                os.write(buffer, 0, len);
            }
            os.flush();
            byte[] bytes = os.toByteArray();
            //显示到前台
            ByteArrayInputStream stream1 = new ByteArrayInputStream(bytes);
            //TODO
            //保存到内存
            ByteArrayInputStream stream2 = new ByteArrayInputStream(bytes);
            //TODO

BufferedOutputStream 和 ByteArrayOutputStream的区别

1. BufferedOutputStream是一个缓冲数据输出接口
BufferedOutputStream会首先创建一个默认的容器量，capacity=8192=8KB，每次在写的时候都会去比对capacity是否够用，如果不够用的时候，就flushBuffer()，把buf中的数据写入对应的outputStream中，然后将buf清空，一直这样等到把内容写完。在这个过程中主要起到了一个缓冲的功能。

BufferedOutputStream源码：

 1 public synchronized void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {  
 2       // 在这判断需要写的数据长度是否已经超出容器的长度了,如果超出则直接写到相应的outputStream中,并清空缓冲区  
 3       if (len >= buf.length) {  
 4           flushBuffer();  
 5           out.write(b, off, len);  
 6           return;  
 7       }  
 8       // 判断缓冲区剩余的容量是否还够写入当前len的内容,如果不够则清空缓冲区  
 9       if (len > buf.length - count) {  
10           flushBuffer();  
11       }  
12       // 将要写的数据先放入内存中,等待数据达到了缓冲区的长度后,再写到相应的outputStream中  
13       System.arraycopy(b, off, buf, count, len);  
14       count += len;  
15     }

flushBuffer()方法源码：

private void flushBuffer() throws IOException {  
       if (count > 0) {  
          // 把写入内存中的数据写到构造方法里传入的OutputStream句柄里, 并把容量大小清楚  
    out.write(buf, 0, count);  
    count = 0;  
       }  
   }

于是将Buffered里面的数据写入到目标地址中。这样不仅会减少系统交互时间，并且可以节省大量内存。因为使用的是一个Buffered区。

2. ByteArrayOutputStream则是字节数组输出接口。

普通的OutputStream，例如ByteArrayOutputStream也会首先创建一个默认的容器量，capacity=32=32b，每次在写的时候都会比对capacity是否还够用，如果不够用的时候，就重写创建buf的容量，一直到内容写完为止。这些内容都会一直处于内存中。

public synchronized void write(byte b[], int off, int len) {  
      if ((off < 0) || (off > b.length) || (len < 0) ||  
            ((off + len) > b.length) || ((off + len) < 0)) {  
          throw new IndexOutOfBoundsException();  
      } else if (len == 0) {  
          return;  
      }  
        // 不断对自己的容量进行相加  
        int newcount = count + len;  
        // 如果新的容量大小已经超过了现有的大小时,则重新开辟新的内存区域来保存当前的数据  
        if (newcount > buf.length) {  
            buf = Arrays.copyOf(buf, Math.max(buf.length << 1, newcount));  
        }  
        System.arraycopy(b, off, buf, count, len);  
        //数据扩容
        count = newcount;  
    }

当你资源不足够用时,选择BufferedOutputStream是最佳的选择, 当你选择快速完成一个作业时,可以选择ByteArrayOutputStream之类的输出流。

3. 如何在开发中使用BIO

  • 如果操作二进制文件，那么就使用字节流，若是是操作文本文件，那么使用字符流。
  • 尽可能使用处理流，这样会使得代码更加灵活，复用性更好。

JavaIO流原理之常用字节流和字符流详解以及Buffered高效的原理

Linux 内核空间与用户空间实现与分析

java IO体系的学习总结

ByteArrayInputStream的作用，和BufferedOutputStream 的区别

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