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[Java教程]Java IO工作机制分析


  Java的IO类都在java.io包下,这些类大致可分为以下4种:

  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

1 IO类库的基本结构

1.1 基于字节操作的IO接口

  基于字节操作的IO接口分别是InputStream和OutputStream,InputStream的类结构图如下所示:

 

  同InputStream类似,OutputStream类也有着相同的类结构图。

   关于各个子类的使用可以参考JDK 的 API 说明文档,这里我们需要注意的是:操作数据的方式是可以组合的,如下所示:

InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(new FileInputStream("h:\\haha.txt"), "utf-8");

  从上面代码可以看出,InputStreamReader可以从FileInputStream中读取数据,从源码中可以看出来,其实不仅是InputStreamReader,所有的IO类都可以以这种方式来组合使用。

  还有一点需要注意的是必须制定流最终写入到什么地方,是磁盘还是网络,从OutputStream类图中可以看出,写入网络中实际也是写文件操作,只不过底层是通过网络传输了。

1.2 基于字符的IO操作接口

   不管是磁盘还是网络数据传输,都是以字节为单位的,但是程序中一般常见的数据操作都是以字符为单位的(Java中char占用2字节,C/C++中 char占用1字节),这就需要我们有一个操作字符的IO接口,来处理字符与字节见的编码转换问题,也就是Write和Reader接口及其实现类,他们 二者的类接口图如下:

 

  读字符接口Reader的最主要操作方法为read(),其读取字符并返回读取的字符数,不管是 Writer 还是 Reader 类它们都只定义了读取或写入的数据字符的方式,也就是怎么写或读,但是并没有规定数据要写到哪去(比如磁盘或者网络)。

1.3 字节与字符的转化接口

  有时数据持久化和网络传输是以字节进行的,所有需要字节和字符之间的相互转换。

图 5. 字符解码相关类结构 图 6. 字符编码相关类结构

/** * 使用FileReader进行读取文件 */@Testpublic void testFileReader() throws IOException {  FileReader fileReader = new FileReader("h:\\haha.txt");  char[] buff = new char[512];  StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();  while (fileReader.read(buff) > 0) {    stringBuffer.append(buff);  }  fileReader.close();  System.out.print(stringBuffer.toString());}/** * 使用FileReader进行读取文件,然后FileWriter写入另一个文件 */@Testpublic void testFileReaderAndFileWriter() throws IOException {  FileReader fileReader = new FileReader("h:\\haha.txt");  char[] buff = new char[512];  StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();  while (fileReader.read(buff) > 0) {    stringBuffer.append(buff);  }  System.out.println(stringBuffer.toString());  FileWriter fileWriter = new FileWriter("h:\\haha2.txt");  fileWriter.write(stringBuffer.toString().trim());  fileWriter.close();  System.out.println("写入文件成功");}/** * 使用InputStreamReader进行读取文件 */@Testpublic void testInputStreamReader() throws IOException {  InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(new FileInputStream("h:\\haha.txt"), "utf-8");  char[] buff = new char[512];  StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();  while (inputStreamReader.read(buff) > 0) {    stringBuffer.append(buff);  }  System.out.println(stringBuffer.toString());}@Testpublic void testIntputStream2() throws IOException {  InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(new StringBufferInputStream("hello world"));  char[] buff = new char[512];  int n = inputStreamReader.read(buff);  System.out.println(n);  System.out.println(buff);}/** * 使用inputStreamReader进行读取文件,然后OutputStreamWriter写入另一个文件 */@Testpublic void testOutputStreamWriter() throws IOException {  InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(new FileInputStream("h:\\haha.txt"), "utf-8");  char[] buff = new char[512];  StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();  while (inputStreamReader.read(buff) > 0) {    stringBuffer.append(buff);  }  System.out.println(stringBuffer.toString());  OutputStreamWriter outputStreamWriter = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("h:\\haha2.txt"), "utf-8");  outputStreamWriter.write(stringBuffer.toString().trim());  outputStreamWriter.close();}

  注意:FileReader类继承了InputStreamReader,FileReader读取文件流,通过StreamDecoder解码成char,其解码字符集使用的是默认字符集。在Java中,我们应该使用File对象来判断某个文件是否存在,如果我们用FileOutputStream或者FileWriter打开,那么它肯定会被覆盖。

 

2 同步和异步、阻塞和非阻塞

  同步和异步是针对IO来说的。所谓同步就是一个任务的完成需要依赖另外一个任务时,只有等待被依赖的任务完成后,依赖的任务才能算完成,这是一种可靠的任务序列。要么成功都成功,失败都失败,两个任务的状态可以保持一致。而异步是不需要等待被依赖的任务完成,只是通知被依赖的任务要完成什么工作,依赖的任务也立即执行,只要自己完成了整个任务就算完成了。至于被依赖的任务最终是否真正完成,依赖它的任务无法确定,所以它是不可靠的任务序列。我们可以用打电话和发短信来很好的比喻同步与异步操作。

  阻塞和非阻塞是针对CPU来说的。阻塞与非阻塞主要是从 CPU 的消耗上来说的,阻塞就是 CPU 停下来等待一个慢的操作完成 CPU 才接着完成其它的事。非阻塞就是在这个慢的操作在执行时 CPU 去干其它别的事,等这个慢的操作完成时,CPU 再接着完成后续的操作。虽然表面上看非阻塞的方式可以明显的提高 CPU 的利用率,但是也带了另外一种后果就是系统的线程切换增加。增加的 CPU 使用时间能不能补偿系统的切换成本需要好好评估。

 

3 序列化

  Java的对象序列化将那些实现了Serializable接口的对象转换成一个字节序列,并能够在以后将这个字节序列完全恢复为原来的对象。这一过程可通过网络进行,这样序列化机制能够自动弥补不同操作系统之间的差异。对应序列化的聪明之处在于它不仅保存了对象的“全景图”,而且能够追踪到对象自所包含的引用,并保存这些对象;接着又能够对对象内包含的每个这样的引用进行最终;以此类推。

  要实例化一个对象,首先创建某些OutputStream对象,然后将其封装在一个ObjectOutputStream对象内,这是,只需要调用writeObject()即可将对象序列化,并将其发送到OutputStream(对象序列化基于字节,因此使用InputStream和OutputStream继承类层次结构)。反序列化和序列化过程正好相反,需要将一个InputStream封装在ObjectInputStream内,然后调用readObject()获取一个引用,它指向一个向上转型的Object,所以必须向下转型才能直接设置它们。下面是序列化和反序列化示例代码:

@Testpublic void testWriteSerialization() {  try {    FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("h:\\serialize.txt");    ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(fileOutputStream);    objectOutputStream.writeObject("start");    objectOutputStream.writeObject(new Person("luoxn28", 23));    objectOutputStream.writeObject(12);    objectOutputStream.close();  } catch (IOException e) {    e.printStackTrace();  }  System.out.println("end...");}@Testpublic void testReadSerialization() {  try {    FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("h:\\serialize.txt");    ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(fileInputStream);    String info1 = (String) objectInputStream.readObject();    Person person = (Person) objectInputStream.readObject();    int num = (int) objectInputStream.readObject();    System.out.println(info1);    System.out.println(person);    System.out.println(num);  } catch (IOException e) {    e.printStackTrace();  } catch (ClassNotFoundException e) {    e.printStackTrace();  }}

 

参考资料:

  1、深入分析 Java I/O 的工作机制

  2、Java IO系统