深入分析 Java I/O 工作机制
作者： egg
博客： http://blog.csdn.net/zhangerqing
论坛： http://www.qtlife.net （随便建了一个，方便大家一起交流！）
IO 是 Java 及众多编程语言很重要的一块，同时很多程序的瓶颈和耗时操作也都在 IO 这块。所以能够很好的解决 IO 问题对提高程序性能有很大的帮助！本章我们将要系统的对 Java IO 做个分析，通过理论加实践，希望读者朋友们能真正彻底的理解并且掌握了它。本章系 Java 之美 [ 从菜鸟到高手演变 ] 系列 之 Java IO ，通过本章的学习，读者朋友们能基本了解到关于 IO 的很多知识。日后加以理解、分析、在项目中实践，定能灵活运用！
一、简介
IO 操作面临很多问题，信息量的巨大，网络的环境等等，因为 IO 不仅仅是对本地文件、目录的操作，有时对二进制流、还有一部分是网络方面的资源，所以多种原因直接造成 IO 操作无疑是耗时且复杂多变的。 Java 对 IO 的支持是个不断的演变过程，经过了很多的优化，直到 JDK1.4 以后，才趋于稳定，在 JDK1.4 中，加入了 nio 类，解决了很多性能问题，虽然我们有足够的理由不去了解关于 Java IO 以前的情况，但是为了学好现在的类，我们还是打算去研究下，通过掌握类的优化情况来彻底理解 IO 的机制！ Java IO 主要主要在 java.io 包下，分为四大块近 80 个类：
1 、基于字节操作的 I/O 接口： InputStream 和 OutputStream
2 、基于字符操作的 I/O 接口： Writer 和 Reader
3 、基于磁盘操作的 I/O 接口： File
4 、基于网络操作的 I/O 接口： Socket （不在 java.io 包下）
影响 IO 性能的无非就是两大因素：数据的格式及存储的方式，前两类主要是数据格式方面的，后两个类是存储方式方面的：本地和网络。所以策划好这两个方面的活动，有助于我们合理使用 IO 。
二、基于字节的 I/O 操作 (InputStream 和 OutputStream)
我们先来看看类图：
图1
图2
二者类似，我只详细讲解 InputStream 类， OutputStream 留给大家自己去学习。 InputStream 类是个抽象类，里面核心的方法就是 read()、read(byte b[])、read(byte b[], int off, int len)，这三个方法是用于读取数据的底层的方法，他们可以用来读取一下这些类型的数据：
A. 字节数组
B. String 对象
C. 文件
D. 管道，从一端进入，从另一端输出
E. 流
F. internet 资源
每一种数据源都有相应的 InputStream 子类，因为 InputStream 是个处于顶层的类，用来处理各种数据源的类都继承了 InputStream 类，我们来看看这些类：
ByteArrayInputStream：处理字节数组的类，允许将内存的缓冲区当做 InputStream 使用。
StringBufferInputStream：将 String 转换成 InputStream ，内部实现用的是 StringBuffer 。
FileInputStream：从文件中读取数据。
PipedInputStream ：用于从管道中读取数据。
SequenceInputStream ：将多个流对象转化成一个 InputStream 。
FilterInputStream ：装饰器类，为其它 InputStream 类提供功能。
做过关于 IO 操作的读者知道，我们很少单独使用哪个类来实现 IO 操作，平时都是几个类合起来使用，这其实体现了一种 装饰器模式 （详见： http://blog.csdn.net/zhangerqing ）的思想，在后面的分析中我们会详细的分析。从上面的图 1 中我们可以看出， FilterInputStream 虽说是 Inputstream 的子类，但它依然是 BufferedInputStream 、 DataInputStream 、 LineNumberInputStream 、 PushbackInputStream 类的父类，这四个类分别提供了最贴近我们程序员使用的方法，如： readInt() 、readInt()、readInt()等等。对于 IO 操作，不管是磁盘还是网络，最终都是对字节的操作，而我们平时写的程序都是字符形式的，所以在传输的过程中需要进行转换。在 字符到字节 的转换过程中，我们需要用到一个类： InputStreamReader 。
三、基于字符的 I/O 操作 (Writer 和 Reader)
图3
图4
Writer 和 Reader 操作的目的就是操作字符和不是字节，和 InputStream 和 OutputStream 配合增加 IO 效果。通过 InputStreamReader 和 OutputStreamReader 可以进行字节和字符的转换，设计 Writer 和 Reader 的目的是国际化，使 IO 操作支持 16 位的 Unicode 。 我把它们单独的画出来，因为要是全画的话，太大了放不下，有兴趣的 TX 可以在 rational rose 中导入其带的 JDK 类图看看，很过瘾的！
四、基于磁盘的 I/O 操作 (File)
五、基于网络的 I/O 操作 (Socket)
六、 NIO
四-六部分由于时间关系，还没有整理完，后续会补出来！
七、经典 IO 操作
1 、缓冲输入文件。
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 + "
");
}
br.close();
return sb.toString();
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
System.out.println(read("src/InputStreamTest.java"));
}
}
这段代码是从磁盘读入 InputStreamTest.java 文件，然后转换成字符串。输出就是将源文件原样输出。
2 、从内存中读取。
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 类型的数据，所以在输出语句中用 char 做了强类型转换。该程序将一个一个的输出字符。
3 、基本的文件输出。
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));
}
}
输出：
1: import java.io.BufferedReader;
2: import java.io.BufferedWriter;
3: import java.io.FileWriter;
…
4 、 RandomAccessFile
RandomAccessFile 被我们称为 ”自我独立的类”，因为它独立于我们前面说的 IO 类，与 InputStream 和 OutputStream 没什么关系，除了实现了 DataOutput, DataInput两个接口外。所有方法都是重新编写，而且很多都是 native 方法，我们来看个例子，了解下这个类：
5 、管道流
八、标准 I/O
就是我们最原始的使用的从控制台输入或者输出的那些类和方法，如 System.in 、 System.out 等。
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 返回的是未经包装的 InputStream 对象，所以需要进行装饰，经 InputStreamReader转换为 Reader 对象，放入 BufferedReader 的构造方法中。除此之外， System.out 和 System.err 都是直接的 PriintStream 对象，可直接使用。我们也可以使用 java.util 包下的 Scanner 类来代替上述程序：
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、性能分析及总结
1 、一个文件读写工具类。
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;
/**
* 一个非常实用的文件操作类 . 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("
");
}
} 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, "
");
}
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
egg"); // testing is OK!
/* constractor test */
TextFile tf = new TextFile("data.d"); // testing is OK!
}
}
2 、读取二进制文件。
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());
}
}
本章节未完，因为最近较忙，所以先发出一部分，后续会将缺少的补齐！