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[Java教程]Java api 入门教程 之 JAVA的IO处理


IO是输入和输出的简称,在实际的使用时,输入和输出是有方向的。就像现实中两个人之间借钱一样,例如A借钱给B,相对于A来说是借出,而相对于B来说则是借入。所以在程序中提到输入和输出时,也需要区分清楚是相对的内容。

在 程序中,输入和输出都是相对于当前程序而言的,例如从硬盘上读取一个配置文件的内容到程序中,则相当于将文件的内容输入到程序内部,因此输入和“读”对 应,而将程序中的内容保存到硬盘上,则相当于将文件的内容输出到程序外部,因此输出和“写”对应。熟悉输入和输出的对应关系,将有助于后续内容的学习。

 

在Java语言中,输入和输出的概念要比其它语言的输入和输出的概念涵盖的内容广泛得多,不仅包含文件的读写,也包含网络数据的发送,甚至内存数据的读写以及控制台数据的接收等都由IO来完成。

为了使输入和输出的结构保持统一,从而方便程序员使用IO相关的类,在Java语言的IO类设计中引入了一个新的概念——Stream(流)。

 

由于在进行IO操作时,需要操作的种类很多,例如文件、内存和网络连接等,这些都被称作数据源(data source),对于不同的数据源处理的方式是不一样的,如果直接交给程序员进行处理,对于程序员来说则显得比较复杂。所以在所有的IO类设计时,在读数据时,JDK API将数据源的数据转换为一种固定的数据序列,在写数据时,将需要写的数据以一定的格式写入到数据序列,由JDK API完成将数据序列中的数据写入到对应的数据源中。这样由系统完成复杂的数据转换以及不同数据源之间的不同的变换,从而简化程序员的编码。

IO的 这种设计就和城市中的供水和排水系统设计是一样的,在供水的时候,水源有江河水、湖水和地下水等不同类型,由自来水公司完成把水源转换为对应的水流。而在 排水系统设计时,只需要将污水排入污水管道即可,至于这些污水是怎么被处理的,则不需要关心,这样也简化了家庭用水的处理。

IO设计中这种数据序列被形象的称作流(Stream)。通过使用流的概念,使程序员面对不同的数据源时只需要建立不同的流即可,而底层流实现的复杂性则由系统完成,从而使程序员不必深入的了解每种数据源的读写方式,从而降低了IO编程的复杂度。

在整个IO处理中,读数据的过程分为两个步骤:

1、将数据源的内容转换为流结构,该步骤由JDK API完成,程序员只需要选择合适的流类型即可。

2、从流中读取数据,该步骤由程序员完成,流中数据的顺序和数据源中数据的存储顺序保持一致。

         

写数据的过程也分为两个步骤:

1、为连接指定的数据源而建立的专门的流结构,该步骤由JDK API完成,程序员只需要选择合适的流类型即可。

2、将数据以一定的格式写入到流中,该步骤由程序员完成,写入流中的数据的顺序就是数据在数据源中的存储顺序。

最后,当数据写入流中以后,可以通过一定的方式把流中的数据写入数据源,或者当流被关闭时,系统会自动将流中的数据写入数据源中。

 

这样,在整个IO类设计时,将最复杂的和数据源操作的部分由JDK API进行完成,而程序员进行编程时,只需要选择合适的流类型,然后进行读写即可。和现实的结构一样,IO中的流也是有方向的,用于读的流被称作输入流(Input Stream),用于写的流被称作输出流(Output Stream)。则进行读写的时候需要选择合适的流对象进行操作。

由于Java语言使用面向对象技术,所以在实现时,每个流类型都使用专门的类进行代表,而把读或写该类型数据源的逻辑封装在类的内部,在程序员实际使用时创建对应的对象就完成了流的构造,后续的IO操作则只需要读或写流对象内部的数据即可。这样IO操作对于Java程序员来说,就显得比较简单,而且比较容易操作了。

 

 

I/O类体系

 在JDK API中,基础的IO类都位于java.io包,而新实现的IO类则位于一系列以java.nio开头的包名中,这里首先介绍java.io包中类的体系结构。

 按照前面的说明,流是有方向的,则整个流的结构按照流的方向可以划分为两类:

 

1、输入流:

该类流将外部数据源的数据转换为流,程序通过读取该类流中的数据,完成对于外部数据源中数据的读入。

 

2、输出流:

该类流完成将流中的数据转换到对应的数据源中,程序通过向该类流中写入数据,完成将数据写入到对应的外部数据源中。

而在实际实现时,由于JDK API历史的原因,在java.io包中又实现了两类流:字节流(byte stream)和字符流(char stream)。这两种流实现的是流中数据序列的单位,在字节流中,数据序列以byte为单位,也就是流中的数据按照一个byte一个byte的顺序实现成流,对于该类流操作的基本单位是一个byte,而对于字节流,数据序列以char为单位,也就是流中的数据按照一个char一个插入的顺序实现成流,对于该类流操作的基本单位是一个char。

另外字节流是从JDK1.0开始加入到API中的,而字符流则是从JDK1.1开始才加入到API中的,对于现在使用的JDK版本来说,这两类流都包含在API的内部。在实际使用时,字符流的效率要比字节流高一些。

在实际使用时,字符流中的类基本上和字节流中的类对应,所以在开始学习IO类时,可以从最基础的字节流开始学习。

在SUN设计JDK的IO类时,按照以上的分类,为每个系列的类设计了一个父类,而实现具体操作的类都作为该系列类的子类,则IO类设计时的四个体系中每个体系中对应的父类分别是:

 

 字节输入流InputStream

该类是IO编程中所有字节输入流的父类,熟悉该类的使用将对使用字节输入流产生很大的帮助,下面做一下详细的介绍。

按照前面介绍的流的概念,字节输入流完成的是按照字节形式构造读取数据的输入流的结构,每个该类的对象就是一个实际的输入流,在构造时由API完成将外部数据源转换为流对象的操作,这种转换对程序员来说是透明的。在程序使用时,程序员只需要读取该流对象,就可以完成对于外部数据的读取了。

InputStream是所有字节输入流的父类,所以在InputStream类中包含的每个方法都会被所有字节输入流类继承,通过将读取以及操作数据的基本方法都声明在InputStream类内部,使每个子类根据需要覆盖对应的方法,这样的设计可以保证每个字节输入流子类在进行实际使用时,开放给程序员使用的功能方法是一致的。这样将简化IO类学习的难度,方便程序员进行实际的编程。

默认情况下,对于输入流内部数据的读取都是单向的,也就是只能从输入流从前向后读,已经读取的数据将从输入流内部删除掉。如果需要重复读取流中同一段内容,则需要使用流类中的mark方法进行标记,然后才能重复读取。这种设计在使用流类时,需要深刻进行体会。

 

在InputStream类中,常见的方法有:

 

a、available方法

 

public int available() throws IOException

该方法的作用是返回当前流对象中还没有被读取的字节数量。也就是获得流中数据的长度。

假设初始情况下流内部包含100个字节的数据,程序调用对应的方法读取了一个字节,则当前流中剩余的字节数量将变成99个。

另外,该方法不是在所有字节输入流内部都得到正确的实现,所以使用该方法获得流中数据的个数是不可靠的。

 

b、close方法

 

public void close() throws IOException

该方法的作用是关闭当前流对象,并释放该流对象占用的资源。

在IO操作结束以后,关闭流是进行IO操作时都需要实现的功能,这样既可以保证数据源的安全,也可以减少内存的占用。

 

c、markSupported方法

 

public boolean markSupported()

该方法的作用是判断流是否支持标记(mark)。标记类似于读书时的书签,可以很方便的回到原来读过的位置继续向下读取。

 

d、reset方法

public void reset() throws IOException

该方法的作用是使流读取的位置回到设定标记的位置。可以从该位置开始继续向后读取。

 

e、mark方法

public void mark(int readlimit)

为流中当前的位置设置标志,使得以后可以从该位置继续读取。变量readlimit指设置该标志以后可以读取的流中最大数据的个数。当设置标志以后,读取的字节数量超过该限制,则标志会失效。

 

f、read方法

read方法是输入流类使用时最核心的方法,能够熟练使用该方法就代表IO基本使用已经入门。所以在学习以及后期的使用中都需要深刻理解该方法的使用。

在实际读取流中的数据时,只能按照流中的数据存储顺序依次进行读取,在使用字节输入流时,读取数据的最小单位是字节(byte)。

另外,需要注意的是,read方法是阻塞方法,也就是如果流对象中无数据可以读取时,则read方法会阻止程序继续向下运行,一直到有数据可以读取为止。

read方法总计有三个,依次是:

 

 public abstract int read() throws IOException

该方法的作用是读取当前流对象中的第一个字节。当该字节被读取出来以后,则该字节将被从流对象中删除,原来流对象中的第二个字节将变成流中的第一个字节,而使用流对象的available方法获得的数值也将减少1。如果需要读取流中的所以数据,只要使用一个循环依次读取每个数据即可。当读取到流的末尾时,该方法返回-1。该返回值的int中只有最后一个字节是流中的有效数据,所以在获得流中的数值时需要进行强制转换。返回值作成int的目的主要是处理好-1的问题。

由于该方法是抽象的,所以会在子类中被覆盖,从而实现最基础的读数据的功能。

 

public int read(byte[] b) throws IOException

该方法的作用是读取当前流对象中的数据,并将读取到的数据依次存储到数组b(b需要提前初始化完成)中,也就是把当前流中的第一个字节的数据存储到b[0],第二个字节的数据存储到b[1],依次类推。流中已经读取过的数据也会被删除,后续的数据会变成流中的第一个字节。而实际读取的字节数量则作为方法的返回值返回。

 

public int read(byte[] b, int off, int len) throws IOException

该方法的作用和上面的方法类似,也是将读取的数据存储到b中,只是将流中的第一个数据存储到b中下标为off的位置,最多读取len个数据,而实际读取的字节数量则作为方法的返回值返回。

 

g、skip方法

public long skip(long n) throws IOException

该方法的作用是跳过当前流对象中的n个字节,而实际跳过的字节数量则以返回值的方式返回。

跳过n个字节以后,如果需要读取则是从新的位置开始读取了。使用该方法可以跳过流中指定的字节数,而不用依次进行读取了。

         从流中读取出数据以后,获得的是一个byte数组,还需要根据以前的数据格式,实现对于该byte数组的解析。

         由于InputStream类是字节输入流的父类,所以该体系中的每个子类都包含以上的方法,这些方法是实现IO流数据读取的基础。

 

  字节输出流OutputStream

         该类是所有的字节输出流的父类,在实际使用时,一般使用该类的子类进行编程,但是该类内部的方法是实现字节输出流的基础。

         该体系中的类完成把对应的数据写入到数据源中,在写数据时,进行的操作分两步实现:第一步,将需要输出的数据写入流对象中,数据的格式由程序员进行设定,该步骤需要编写代码实现;第二步,将流中的数据输出到数据源中,该步骤由API实现,程序员不需要了解内部实现的细节,只需要构造对应的流对象即可。

         在实际写入流时,流内部会保留一个缓冲区,会将程序员写入流对象的数据首先暂存起来,然后在缓冲区满时将数据输出到数据源。当然,当流关闭时,输出流内部的数据会被强制输出。

         字节输出流中数据的单位是字节,在将数据写入流时,一般情况下需要将数据转换为字节数组进行写入。

 

         在OutputStream中,常见的方法有:

a、close方法

public void close() throws IOException

该方法的作用是关闭流,释放流占用的资源。

 

b、flush方法

public void flush() throws IOException

该方法的作用是将当前流对象中的缓冲数据强制输出出去。使用该方法可以实现立即输出。

 

c、write方法

write方法是输出流中的核心方法,该方法实现将数据写入流中。在实际写入前,需要实现对应的格式,然后依次写入到流中。写入流的顺序就是实际数据输出的顺序。

write方法总计有3个,依次是:

public abstract void write(int b) throws IOException

该方法的作用是向流的末尾写入一个字节的数据。写入的数据为参数b的最后一个字节。在实际向流中写数据时需要按照逻辑的顺序进行写入。该方法在OutputStream的子类内部进行实现。

public void write(byte[] b) throws IOException

该方法的作用是将数组b中的数据依次写入当前的流对象中。

public void write(byte[] b, int off, int len) throws IOException

该方法的作用是将数组b中从下标为off(包含)开始,后续长度为len个的数据依次写入到流对象中。

在实际写入时,还需要根据逻辑的需要设定byte数值的格式,这个根据不同的需要实现不同的格式。

 

 字符输入流Reader

         字 符输入流体系是对字节输入流体系的升级,在子类的功能上基本和字节输入流体系中的子类一一对应,但是由于字符输入流内部设计方式的不同,使得字符输入流的 执行效率要比字节输入流体系高一些,在遇到类似功能的类时,可以优先选择使用字符输入流体系中的类,从而提高程序的执行效率。

         Reader体系中的类和InputStream体系中的类,在功能上是一致的,最大的区别就是Reader体系中的类读取数据的单位是字符(char),也就是每次最少读入一个字符(两个字节)的数据,在Reader体系中的读数据的方法都以字符作为最基本的单位。

         Reader类和InputStream类中的很多方法,无论声明还是功能都是一样的,但是也增加了两个方法,依次介绍如下:

 

a、read方法

public int read(CharBuffer target) throws IOException

该方法的作用是将流内部的数据依次读入CharBuffer对象中,实际读入的char个数作为返回值返回。

 

b、ready方法

public boolean ready() throws IOException

该方法的作用是返回当前流对象是否准备完成,也就是流内部是否包含可以被读取的数据。

 

其它和InputStream类一样的方法可以参看上面的介绍。

 

 

 字符输出流Writer

         字 符输出流体系是对字节输出流体系的升级,在子类的功能实现上基本上和字节输出流保持一一对应。但由于该体系中的类设计的比较晚,所以该体系中的类执行的效 率要比字节输出流中对应的类效率高一些。在遇到类似功能的类时,可以优先选择使用该体系中的类进行使用,从而提高程序的执行效率。

         Writer体系中的类和OutputStream体系中的类,在功能上是一致的,最大的区别就是Writer体系中的类写入数据的单位是字符(char),也就是每次最少写入一个字符(两个字节)的数据,在Writer体系中的写数据的方法都以字符作为最基本的操作单位。

         Writer类和OutputStream类中的很多方法,无论声明还是功能都是一样的,但是还是增加了一些方法,依次介绍如下:

 

a、append方法

将数据写入流的末尾。总计有3个方法,依次是:

 public Writer append(char c) throws IOException

该方法的作用和write(int c)的作用完全一样,既将字符c写入流的末尾。

public Writer append(CharSequence csq) throws IOException

该方法的作用是将CharSequence对象csq写入流的末尾,在写入时会调用csq的toString方法将该对象转换为字符串,然后再将该字符串写入流的末尾。

public Writer append(CharSequence csq, int start, int end)throws IOException

该方法的作用和上面的方法类似,只是将转换后字符串从索引值为start(包含)到索引值为end(不包含)的部分写入流中。

 

b、write方法

 除了基本的write方法以外,在Writer类中又新增了两个,依次是:

public void write(String str) throws IOException

该方法的作用是将字符串str写入流中。写入时首先将str使用getChars方法转换成对应的char数组,然后实现依次写入流的末尾。

public void write(String str, int off, int len)throws IOException

该方法的作用是将字符串str中索引值为off(包含)开始,后续长度为len个字符写入到流的末尾。

使用这两个方法将更方便将字符串写入流的末尾。

         

其它和OutputStream类一样的方法可以参看上面的介绍。

 

 小结

         在实际使用IO类时,根据逻辑上的需要,挑选对应体系中的类进行实际的使用,从而实现程序中IO的相关功能。

         熟悉了IO类的体系以后,就可以首先熟悉基本的IO类的使用,然后再按照IO类体系中相关类的使用方式逐步去了解相关的IO类的使用,从而逐步熟悉java.io包中类的使用,然后再掌握IO编程。

         在实际使用时,一般都使用这4个类中对应的子类,每个子类完成相关的功能。对于这些子类,也可以根据这些类是否直接连接数据源,将这些IO类分类为:

1、实体流

       指直接连接数据源的IO流类

2、装饰流

       指不直接连接数据源,而是建立在其它实体流对象的基础之上。