Java I/O关于缓冲区部分提高性能的源码分析【Stream】

拿FileInputStream来举例：
class FileInputStream extends InputStream


从顶级的InputStream开始

InputStream 定义了3个read方法。

read();
read(byte[]);
read(byte[],int off,int len);

第二个read(byte[])其实就是read(b, 0, b.length) ，所以等同于第三个;

第一个read()方法，api介绍如下：

引用

从输入流中读取数据的下一个字节。返回 0 到 255 范围内的 int 字节值。如果因为已经到达流末尾而没有可用的字节，则返回值 -1。在输入数据可用、检测到流末尾或者抛出异常前，此方法一直阻塞。
子类必须提供此方法的一个实现。

第三个read()方法，api介绍如下：

引用

将输入流中最多 len 个数据字节读入 byte 数组。尝试读取 len 个字节，但读取的字节也可能小于该值。以整数形式返回实际读取的字节数。
在输入数据可用、检测到流末尾或者抛出异常前，此方法一直阻塞。

如果 len 为 0，则不读取任何字节并返回 0；否则，尝试读取至少一个字节。如果因为流位于文件末尾而没有可用的字节，则返回值 -1；否则，至少读取一个字节并将其存储在 b 中。

将读取的第一个字节存储在元素 b[off] 中，下一个存储在 b[off+1] 中，依次类推。读取的字节数最多等于 len。设 k 为实际读取的字节数；这些字节将存储在 b[off] 到 b[off+k-1] 的元素中，不影响 b[off+k] 到 b[off+len-1] 的元素。

在任何情况下，b[0] 到 b[off] 的元素以及 b[off+len] 到 b[b.length-1] 的元素都不会受到影响。

类 InputStream 的 read(b, off, len) 方法重复调用方法 read()。如果第一次这样的调用导致 IOException，则从对 read(b, off, len) 方法的调用中返回该异常。如果对 read() 的任何后续调用导致 IOException，则捕获该异常并将其视为到达文件末尾；到达该点时读取的字节存储在 b 中，并返回发生异常之前读取的字节数。在已读取输入数据 len 的请求数量、检测到文件结束标记、抛出异常前，此方法的默认实现将一直阻塞。建议子类提供此方法更为有效的实现。

关于三段红字的注解：
第一段：InputStream是所有输入流的顶级类，当然只定义，不实现，具体的由子类去实现,如AudioInputStream, ByteArrayInputStream, FileInputStream等。
第二段：指明了InputStream的read(byte[],int off,int len)的实现方式，就是简单的调用read()方法而已，而read()方法是一次只读取一个字节，依然每次都要调用底层系统，所以InputStream的read(byte[],int off,int len)性能和直接调用read()一样，byte[]缓冲区在这是摆设。
第三段：正是由于第二段所说，才建议子类提供性能更好的方式来覆盖read(byte[],int off,int len)方法。

那InputStream的子类有哪些呢？看下API就知道了，这几只拿FileInputStream来说.
下面是FileInputStream的部分源码：

 public native int read() throws IOException;

 private native int readBytes(byte b[], int off, int len) throws IOException;

 public int read(byte b[]) throws IOException {
	return readBytes(b, 0, b.length);
    }

 public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
	return readBytes(b, off, len);
    }

这里两个read()方法都是用本地方法实现，因为FileInputStream是跟底层的操作系统交互的，没有比用本地方法来实现的性能更好，更容易的了。所以这里就采用了第三段里的建议，真正实现了缓存的功能，虽然我们并不知道如何实现的。

那么既然FileInputStream已经实现了缓存来提高性能，那么BufferedInputStream又拿来干嘛？
先看api介绍：

引用

BufferedInputStream 为另一个输入流添加一些功能，即缓冲输入以及支持 mark 和 reset 方法的能力。在创建 BufferedInputStream 时，会创建一个内部缓冲区数组。在读取或跳过流中的字节时，可根据需要从包含的输入流再次填充该内部缓冲区，一次填充多个字节。mark 操作记录输入流中的某个点，reset 操作使得在从包含的输入流中获取新字节之前，再次读取自最后一次 mark 操作后读取的所有字节。

其实上面所说的“缓冲输入”并不是真正的像FileInputStream那样用本地方法来提高性能，而是指在这基础上，为了程序员操作方便，内部提供了一个缓冲区(byte[1024*8] buf)，并装饰了FileInputStream类(构造BufferedInputStram时必须提供被装饰的InputStream就可看出)。
当用FileInputStream的时候，read()是从底层读一个字节，read(byte[],int off,int len)则是一次性读取了len-off个字节,我们需提供一个byte[]来存放，
而用BufferedInputStream的时候，其read()其实和read(byte[],int off,int len)一样，内部都是调用构造输入的FileInputStream的read(byte[],int off,int len)方法，将底层数据读入到byte[]里，而且byte[]不需要我们来提供，类本身定义了一个byte[] buf数组来存放这些数据，所以，如果使用BufferedInputStream我们的程序又不需要对byte[]数组操作的话，直接这样写就行了：

FileInputStream fis=new FileInputStream("d:\\a.txt");
BufferedInputStream bis=new BufferedInputStream(fis);
int data=0;
while((data=bis.read())!=-1){
	//......		
}

这样虽然也是一次读一个字节，但不是每次都从底层读取数据，而是一次调用底层系统读取了最多buf.length个字节到buf数组中，然后从buf中一次读一个字节，减少了频繁调用底层接口的开销。
等同于

FileInputStream fis=new FileInputStream("d:\\a.txt");
byte[] mybuff=new byte[1024];
int count=0;
while((count=fis.read(mybuff))!=-1){
     //......
}

如果是用BufferedInputStream的read(byte[],int off,int len)那缓冲区则由传入的byte[]来充当（虽然内部其实有时候还用到了buf，但表现出来的就是用传入的byte[]来缓冲)。

讲了这么多，那如果要缓冲那该用FileInputStream还是BufferedInputStream呢？回到上面紫色的文字，BufferedInputStream主要不是提供buf，而是封装了缓冲和标记/回读的功能。如果你既不用到标记/回读功能，又不要操作中间的缓冲数组，那显而易见直接用FileInputStream的read(byte[],int off,int len)是效率最高的。

最后说下为什么用缓冲性能就更好，因为应用程序可以将多个字节写入底层输出流中(native read(byte))，而不必针对每个字节写入都调用底层系统(native read())。OutputStream原理基本差不多，这里就不说了。