JAVA IO

彻底明白 Java 语言中的IO系统<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

Java的核心库java.io提供了全面的IO接口，包括：文件读写，标准设备输出等等。Java中IO是以流为基础进行输入输出的，所有数据被串行化写入输出流，或者从输入流读入。

1． Input和Output

　　1. stream代表的是任何有能力产出数据的数据源，或是任何有能力接收数据的接收源。在Java的IO系统中，所有的stream（包括Input stream和Out stream）都包括两种类型：

　　1.1 以字节(Byte)为导向的stream

　　以字节为导向的stream，表示以字节为单位从stream中读取或往stream中写入信息。以字节为导向的stream包括下面几种类型：

Input stream：

　　1) ByteArrayInputStream：把内存中的一个缓冲区作为InputStream使用

　　2) StringBufferInputStream：把一个String对象作为InputStream

　　3) FileInputStream：把一个文件作为InputStream，实现对文件的读取操作

　　4) PipedInputStream：实现了pipe的概念，主要在线程中使用

　　5) SequenceInputStream：把多个InputStream合并为一个InputStream

　　Out stream：

　　1) ByteArrayOutputStream：把信息存入内存中的一个缓冲区中

　　2) FileOutputStream： 把信息存入文件中

　　3) PipedOutputStream：实现了pipe的概念，主要在线程中使用

　　4) SequenceOutputStream：把多个OutStream合并为一个OutStream

　　1.2 以字符（Unicode）为导向的stream

　　以Unicode字符为导向的stream，表示以Unicode字符为单位从stream中读取或往stream中写入信息。以Unicode字符为导向的stream包括下面几种类型：
Input Stream：

　　1) CharArrayReader：与ByteArrayInputStream对应

　　2) StringReader：与StringBufferInputStream对应

　　3) FileReader：与FileInputStream对应

　　4) PipedReader：与PipedInputStream对应

　　Out　Stream：

　　1) CharArrayWriter：与ByteArrayOutputStream对应

　　2) StringWriter：无与之对应的以字节为导向的stream

　　3) FileWriter：与FileOutputStream对应

　　4) PipedWriter：与PipedOutputStream对应

　　以字符为导向的stream基本上对有与之相对应的以字节为导向的stream。两个对应类实现的功能相同，字是在操作时的导向不同。如 CharArrayReader：和ByteArrayInputStream的作用都是把内存中的一个缓冲区作为InputStream使用，所不同的 是前者每次从内存中读取一个字节的信息，而后者每次从内存中读取一个字符。

　1.3 两种不现导向的stream之间的转换

　　InputStreamReader和OutputStreamReader：把一个以字节为导向的stream转换成一个以字符为导向的stream。

InputStreamReader 是字节流通向字符流的桥梁：它使用指定的 charset 读取字节并将其解码为字符。它使用的字符集可以由名称指定或显式给定，或者可以接受平台默认的字符集。

每次调用 InputStreamReader 中的一个 read() 方法都会导致从底层输入流读取一个或多个字节。要启用从字节到字符的有效转换，可以提前从底层流读取更多的字节，使其超过满足当前读取操作所需的字节。

为了达到最高效率，可要考虑在 BufferedReader 内包装 InputStreamReader。例如：

BufferedReader in

= new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

OutputStreamWriter 是字符流通向字节流的桥梁：可使用指定的 charset 将要写入流中的字符编码成字节。它使用的字符集可以由名称指定或显式给定，否则将接受平台默认的字符集。

每次调用 write() 方法都会导致在给定字符（或字符集）上调用编码转换器。在写入底层输出流之前，得到的这些字节将在缓冲区中累积。可以指定此缓冲区的大小，不过，默认的缓冲区对多数用途来说已足够大。注意，传递给 write() 方法的字符没有缓冲。

为了获得最高效率，可考虑将 OutputStreamWriter 包装到 BufferedWriter 中，以避免频繁调用转换器。例如：

Writer out

 = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(System.out));

代理对 是一个字符，它由两个 char 值序列表示：高 代理项的范围为 '/uD800' 到 '/uDBFF'，后跟范围为 '/uDC00' 到 '/uDFFF' 的低 代理项。

错误代理元素 指的是后面不跟低代理项的高代理项，或前面没有高代理项的低代理项。

此类总是使用字符集的默认替代序列 替代错误代理元素和不可映射的字符序列。如果需要更多地控制编码过程，则应该使用 CharsetEncoder 类。

1.4 为stream添加属性

　　1.4.1 “为stream添加属性”的作用

　　运用上面介绍的Java中操作IO的API，我们就可完成我们想完成的任何操作了。但通过FilterInputStream和FilterOutStream的子类，我们可以为stream添加属性。下面以一个例子来说明这种功能的作用。

　 如果我们要往一个文件中写入数据，我们可以这样操作：

FileOutStream fs = new FileOutStream(“test.txt”);

　　然后就可以通过产生的fs对象调用write()函数来往test.txt文件中写入数据了。但是，如果我们想实现“先把要写入文件的数据先缓存到内存中，再把缓存中的数据写入文件中”的功能时，上面的API就没有一个能满足我们的需求了。但是通过FilterInputStream和 FilterOutStream的子类，为FileOutStream添加我们所需要的功能。

　　1.4.2 FilterInputStream的各种类型

　 用于封装以字节为导向的InputStream

　　1) DataInputStream：从stream中读取基本类型（int、char等）数据。

　　2) BufferedInputStream：使用缓冲区

　　3) LineNumberInputStream：会记录input stream内的行数，然后可以调 用getLineNumber()和setLineNumber(int)

　　4) PushbackInputStream：很少用到，一般用于编译器开发

　 用于封装以字符为导向的InputStream

　　1) 没有与DataInputStream对应的类。除非在要使用readLine()时改用BufferedReader，否则使用DataInputStream

　　2) BufferedReader：与BufferedInputStream对应

　　3) LineNumberReader：与LineNumberInputStream对应

　　4) PushBackReader：与PushbackInputStream对应

　　1.4.3 FilterOutStream的各种类型

　　用于封装以字节为导向的OutputStream

　　1) DataIOutStream：往stream中输出基本类型（int、char等）数据。

　　2) BufferedOutStream：使用缓冲区

　　3) PrintStream：产生格式化输出

　　用于封装以字符为导向的OutputStream

　　1) BufferedWriter：与对应

　　2) PrintWriter：与对应

　　RandomAccessFile

　　1) 可通过RandomAccessFile对象完成对文件的读写操作

　　2) 在产生一个对象时，可指明要打开的文件的性质：r，只读；w，只写；rw可读写

　　3) 可以直接跳到文件中指定的位置

I/O应用的一个例子

java 代码

import java.io.*;
public class TestIO{
　public static void main(String[] args)
　throws IOException{
　//1.以行为单位从一个文件读取数据
　BufferedReader in = new BufferedReader(
　　new FileReader("F://nepalon//TestIO.java"));
　String s, s2 = new String();
　while((s = in.readLine()) != null)
　s2 += s + "/n";
　in.close();
　//1b. 接收键盘的输入
　BufferedReader stdin = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
　System.out.println("Enter a line:");
　System.out.println(stdin.readLine());
　//2. 从一个String对象中读取数据
　StringReader in2 = new StringReader(s2);
　int c;
　while((c = in2.read()) != -1)
　System.out.println((char)c);
　in2.close();
　//3. 从内存取出格式化输入
　try{
　　DataInputStream in3 =new DataInputStream(new ByteArrayInputStream(s2.getBytes()));
　　while(true)
　　　System.out.println((char)in3.readByte());
　}
　catch(EOFException e){
　　System.out.println("End of stream");
　}
　//4. 输出到文件
　try{
　　BufferedReader in4 =new BufferedReader(new StringReader(s2));
　　PrintWriter out1 =new PrintWriter(new BufferedWriter(new FileWriter("F://nepalon// TestIO.out")));

int lineCount = 1;
　　while((s = in4.readLine()) != null)
　　　out1.println(lineCount++ + "：" + s);
　　　out1.close();
　　　in4.close();
　}
　catch(EOFException ex){
　　System.out.println("End of stream");
　}
　//5. 数据的存储和恢复
　try{
　　DataOutputStream out2 =new DataOutputStream(new BufferedOutputStream(
　　　new FileOutputStream("F://nepalon// Data.txt")));
　　out2.writeDouble(3.1415926);
　　out2.writeChars("/nThas was pi:writeChars/n");
　　out2.writeBytes("Thas was pi:writeByte/n");
　　out2.close();
　　DataInputStream in5 =new DataInputStream(
　　　new BufferedInputStream(new FileInputStream("F://nepalon// Data.txt")));
　　　BufferedReader in5br =new BufferedReader(new InputStreamReader(in5));
　　　System.out.println(in5.readDouble());
　　　System.out.println(in5br.readLine());
　　　System.out.println(in5br.readLine());
　}
　catch(EOFException e){
　　System.out.println("End of stream");
　}
　//6. 通过RandomAccessFile操作文件
　RandomAccessFile rf = new RandomAccessFile("F://nepalon// rtest.dat", "rw");
　for(int i=0; i <10; i++)
　　rf.writeDouble(i*1.414);
　　rf.close();
　　rf = new RandomAccessFile("F://nepalon// rtest.dat", "r");
　　for(int i=0; i <10; i++)
　　　System.out.println("Value " + i + "：" + rf.readDouble());
　　　rf.close();
　　　rf = new RandomAccessFile("F://nepalon// rtest.dat", "rw");
　　　rf.seek(5*8);
　　　rf.writeDouble(47.0001);
　　　rf.close();
　　　rf = new RandomAccessFile("F://nepalon// rtest.dat", "r");
　　　for(int i=0; i <10; i++)
　　　　System.out.println("Value " + i + "：" + rf.readDouble());

　　　　rf.close();

}
　}　　

关于代码的解释（以区为单位）：

　　1区中，当读取文件时，先把文件内容读到缓存中，当调用in.readLine()时，再从缓存中以字符的方式读取数据（以下简称“缓存字节读取方式”）。

　　1b区中，由于想以缓存字节读取方式从标准IO（键盘）中读取数据，所以要先把标准IO（System.in）转换成字符导向的stream，再进行BufferedReader封装。

　　2区中，要以字符的形式从一个String对象中读取数据，所以要产生一StringReader类型的stream。

Java IO 包中的Decorator模式

JDK为程序员提供了大量的类库，而为了保持类库的可重用性，可扩展性和灵活性，其中使用到了大量的设计模式，本文将介绍JDK的I/O包中使用到的Decorator模式，并运用此模式，实现一个新的输出流类。

Decorator模式简介

　　Decorator模式又名包装器(Wrapper)，它的主要用途在于给一个对象动态的添加一些额外的职责。与生成子类相比，它更具有灵活性。

有时候，我们需要为一个对象而不是整个类添加一些新的功能，比如，给一个文本区添加一个滚动条的功能。我们可以使用继承机制来实现这一功能，但是这种方法不够灵活，我们无法控制文本区加滚动条的方式和时机。而且当文本区需要添加更多的功能时，比如边框等，需要创建新的类，而当需要组合使用这些功能时无疑将会引起类的爆炸。

　　我们可以使用一种更为灵活的方法，就是把文本区嵌入到滚动条中。而这个滚动条的类就相当于对文本区的一个装饰。这个装饰(滚动条)必须与被装饰的组件(文本区)继承自同一个接口，这样，用户就不必关心装饰的实现，因为这对他们来说是透明的。装饰会将用户的请求转发给相应的组件(即调用相关的方法)，并可能在转发的前后做一些额外的动作(如添加滚动条)。通过这种方法，我们可以根据组合对文本区嵌套不同的装饰，从而添加任意多的功能。这种动态的对对象添加功能的方法不会引起类的爆炸，也具有了更多的灵活性。

　　以上的方法就是Decorator模式，它通过给对象添加装饰来动态的添加新的功能。如下是Decorator模式的UML图：

<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /><shapetype id="_x0000_t75" stroked="f" filled="f" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe" o:preferrelative="t" o:spt="75" coordsize="21600,21600"><stroke joinstyle="miter"></stroke><formulas><f eqn="if lineDrawn pixelLineWidth 0"></f><f eqn="sum @0 1 0"></f><f eqn="sum 0 0 @1"></f><f eqn="prod @2 1 2"></f><f eqn="prod @3 21600 pixelWidth"></f><f eqn="prod @3 21600 pixelHeight"></f><f eqn="sum @0 0 1"></f><f eqn="prod @6 1 2"></f><f eqn="prod @7 21600 pixelWidth"></f><f eqn="sum @8 21600 0"></f><f eqn="prod @7 21600 pixelHeight"></f><f eqn="sum @10 21600 0"></f></formulas><path o:connecttype="rect" gradientshapeok="t" o:extrusionok="f"></path><lock aspectratio="t" v:ext="edit"></lock></shapetype><shape id="_x0000_i1025" style="WIDTH: 293.25pt; HEIGHT: 3in" alt="" type="#_x0000_t75"><imagedata src="file:///C:/DOCUME~1/snow/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image001.jpg" o:href="http://cimg.163.com/catchpic/E/EF/EFD7757ECF4A444F276835913426D10D.jpg"></imagedata></shape>

Component为组件和装饰的公共父类，它定义了子类必须实现的方法。

　　ConcreteComponent是一个具体的组件类，可以通过给它添加装饰来增加新的功能。

　　Decorator是所有装饰的公共父类，它定义了所有装饰必须实现的方法，同时，它还保存了一个对于Component的引用，以便将用户的请求转发给Component，并可能在转发请求前后执行一些附加的动作。

　　ConcreteDecoratorA和ConcreteDecoratorB是具体的装饰，可以使用它们来装饰具体的Component。

　　Java IO包中的Decorator模式

　　JDK提供的java.io包中使用了Decorator模式来实现对各种输入输出流的封装。以下将以java.io.OutputStream及其子类为例，讨论一下Decorator模式在IO中的使用。

　　首先来看一段用来创建IO流的代码：

以下是代码片段：

try {

　OutputStream out = new DataOutputStream(new FileOutputStream("test.txt"));

} catch (FileNotFoundException e) {

　e.printStackTrace();

}

　　这段代码对于使用过JAVA输入输出流的人来说再熟悉不过了，我们使用DataOutputStream封装了一个FileOutputStream。这是一个典型的Decorator模式的使用，FileOutputStream相当于Component，DataOutputStream就是一个Decorator。将代码改成如下，将会更容易理解：

以下是代码片段：

try {

　OutputStream out = new FileOutputStream("test.txt");

　out = new DataOutputStream(out);

} catch(FileNotFoundException e) {

　e.printStatckTrace();

}

　　由于FileOutputStream和DataOutputStream有公共的父类OutputStream，因此对对象的装饰对于用户来说几乎是透明的。下面就来看看OutputStream及其子类是如何构成Decorator模式的：

<shape id="_x0000_i1026" style="WIDTH: 425.25pt; HEIGHT: 168.75pt" alt="" type="#_x0000_t75"><imagedata src="file:///C:/DOCUME~1/snow/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image002.jpg" o:href="http://cimg.163.com/catchpic/5/5F/5FD3B7C491357BE01991CC6406584520.jpg"></imagedata></shape>

OutputStream是一个抽象类，它是所有输出流的公共父类，其源代码如下：

以下是代码片段：

public abstract class OutputStream implements Closeable, Flushable {

public abstract void write(int b) throws IOException;

...

}

它定义了write(int b)的抽象方法。这相当于Decorator模式中的Component类。

ByteArrayOutputStream，FileOutputStream 和 PipedOutputStream 三个类都直接从OutputStream继承，以ByteArrayOutputStream为例：

以下是代码片段：

public class ByteArrayOutputStream extends OutputStream {

protected byte buf[];

protected int count;

public ByteArrayOutputStream() {

this(32);

}

public ByteArrayOutputStream(int size) {

if (size 〈 0) {

throw new IllegalArgumentException("Negative initial size: " + size);

}

buf = new byte[size];

}

public synchronized void write(int b) {

int newcount = count + 1;

if (newcount 〉 buf.length) {

byte newbuf[] = new byte[Math.max(buf.length 〈〈 1, newcount)];

System.arraycopy(buf, 0, newbuf, 0, count);

buf = newbuf;

}

buf[count] = (byte)b;

count = newcount;

}

}

它实现了OutputStream中的write(int b)方法，因此我们可以用来创建输出流的对象，并完成特定格式的输出。它相当于Decorator模式中的ConcreteComponent类。

接着来看一下FilterOutputStream，代码如下：

以下是代码片段：

public class FilterOutputStream extends OutputStream {

protected OutputStream out;

public FilterOutputStream(OutputStream out) {

this.out = out;

}

public void write(int b) throws IOException {

out.write(b);

}

...

}

同样，它也是从OutputStream继承。但是，它的构造函数很特别，需要传递一个OutputStream的引用给它，并且它将保存对此对象的引用。而如果没有具体的OutputStream对象存在，我们将无法创建FilterOutputStream。由于out既可以是指向FilterOutputStream类型的引用，也可以是指向ByteArrayOutputStream等具体输出流类的引用，因此使用多层嵌套的方式，我们可以为ByteArrayOutputStream添加多种装饰。这个FilterOutputStream类相当于Decorator模式中的Decorator类，它的write(int b)方法只是简单的调用了传入的流的write(int b)方法，而没有做更多的处理，因此它本质上没有对流进行装饰，所以继承它的子类必须覆盖此方法，以达到装饰的目的。

BufferedOutputStream 和 DataOutputStream是FilterOutputStream的两个子类，它们相当于Decorator模式中的ConcreteDecorator，并对传入的输出流做了不同的装饰。以BufferedOutputStream类为例：

以下是代码片段：

public class BufferedOutputStream extends FilterOutputStream {

...

private void flushBuffer() throws IOException {

if (count 〉 0) {

out.write(buf, 0, count);

count = 0;

}

}

public synchronized void write(int b) throws IOException {

if (count 〉= buf.length) {

flushBuffer();

}

buf[count++] = (byte)b;

}

...

}

　　这个类提供了一个缓存机制，等到缓存的容量达到一定的字节数时才写入输出流。首先它继承了FilterOutputStream，并且覆盖了父类的write(int b)方法，在调用输出流写出数据前都会检查缓存是否已满，如果未满，则不写。这样就实现了对输出流对象动态的添加新功能的目的。

下面，将使用Decorator模式，为IO写一个新的输出流。

了解了OutputStream及其子类的结构原理后，我们可以写一个新的输出流，来添加新的功能。这部分中将给出一个新的输出流的例子，它将过滤待输出语句中的空格符号。比如需要输出"java io OutputStream"，则过滤后的输出为"javaioOutputStream"。以下为SkipSpaceOutputStream类的代码：

以下是代码片段：

import java.io.FilterOutputStream;

import java.io.IOException;

import java.io.OutputStream;

/**

* A new output stream, which will check the space character

* and won’t write it to the output stream.

* @author Magic

*

*/

public class SkipSpaceOutputStream extends FilterOutputStream {

　public SkipSpaceOutputStream(OutputStream out) {

　　super(out);

　}

　/**

　* Rewrite the method in the parent class, and

　* skip the space character.

　*/

　public void write(int b) throws IOException{

　　if(b!=’ ’){

　　　super.write(b);

　　}

　}

}

它从FilterOutputStream继承，并且重写了它的write(int b)方法。在write(int b)方法中首先对输入字符进行了检查，如果不是空格，则输出。

以下是一个测试程序：

以下是代码片段：

import java.io.BufferedInputStream;

import java.io.DataInputStream;

import java.io.DataOutputStream;

import java.io.IOException;

import java.io.InputStream;

import java.io.OutputStream;

/**

* Test the SkipSpaceOutputStream.

* @author Magic

*

*/

public class Test {

　public static void main(String[] args){

　　byte[] buffer = new byte[1024];

　　/**

　　* Create input stream from the standard input.

　　*/

　　InputStream in = new BufferedInputStream(new DataInputStream(System.in));

　　/**

　　* write to the standard output.

　　*/

　　OutputStream out = new SkipSpaceOutputStream(new DataOutputStream(System.out));

　　try {

　　　System.out.println("Please input your words: ");

　　　int n = in.read(buffer,0,buffer.length);

　　　for(int i=0;i〈n;i++){

　　　　out.write(buffer[i]);

　　　}

　　} catch (IOException e) {

　　　e.printStackTrace();

　　}

　}

}

执行以上测试程序，将要求用户在console窗口中输入信息，程序将过滤掉信息中的空格，并将最后的结果输出到console窗口。比如：

以下是引用片段：

Please input your words:

a b c d e f

abcdef

　　在java.io包中，不仅OutputStream用到了Decorator设计模式，InputStream，Reader，Writer等都用到了此模式。而作为一个灵活的，可扩展的类库，JDK中使用了大量的设计模式，比如在Swing包中的MVC模式，RMI中的Proxy模式等等。对于JDK中模式的研究不仅能加深对于模式的理解，而且还有利于更透彻的了解类库的结构和组成。