深入分析Java I/O 工作机制

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。

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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 + "\n");  

        }  

        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。

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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。

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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。

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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：

[java] view
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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。

[java] view
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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("\n");  

                }  

            } 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, "\n");  

    }  

  

    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\negg"); // testing is OK!  

  

        /* constractor test */  

        TextFile tf = new TextFile("data.d"); // testing is OK!  

  

    }  

  

}  

2、读取二进制文件。

[java] view
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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());  

    }  

}