.NET Core/.NET之Stream简介

之前写了一篇C#装饰模式的文章提到了.NET Core的Stream, 所以这里尽量把Stream介绍全点. (都是书上的内容)

.NET Core/.NET的Streams

首先需要知道, System.IO命名空间是低级I/O功能的大本营.

Stream的结构

.NET Core里面的Stream主要是三个概念: 存储(backing stores 我不知道怎么翻译比较好), 装饰器, 适配器.

backing stores是让输入和输出发挥作用的端点, 例如文件或者网络连接. 就是下面任意一点或两点:

  • 一个源, 从它这里字节可以被顺序的读取
  • 一个目的地, 字节可以被连续的写入.

程序员可以通过Stream类来发挥backing store的作用. Stream类有一套方法, 可以进行读取, 写入, 定位等操作. 个数组不同的是, 数组是把所有的数据都一同放在了内存里, 而stream则是顺序的/连续的处理数据, 要么是一次处理一个字节, 要么是一次处理特定大小(不能太大, 可管理的范围内)的数据.

于是, stream可以用比较小的固定大小的内存来处理无论多大的backing store.

中间的那部分就是装饰器Stream. 它符合装饰模式.

从图中可以看到, Stream又分为两部分:

  • Backing Store Streams: 硬连接到特定类型的backing store, 例如FileStream和NetworkStream
  • Decorator Streams 装饰器Stream: 使用某种方式把数据进行了转化, 例如DeflateStream和CryptoStream.

装饰器Stream有如下结构性的优点(参考装饰模式):

  • 无需让backing store stream去实现例如压缩, 加密等功能.
  • 装饰的时候接口(interface)并没有变化
  • 可以在运行时进行装饰
  • 可以串联装饰(先后进行多个装饰)

backing store和装饰器stream都是按字节进行处理的. 尽管这很灵活和高效, 但是程序一般还是采用更高级别的处理方式例如文字或者xml.

适配器通过使用特殊化的方法把类里面的stream进行包装成特殊的格式. 这就弥合了上述的间隔.

例如 text reader有一个ReadLine方法, XML writer又WriteAttributes方法.

注意: 适配器包装了stream, 这点和装饰器一样, 但是不一样的是, 适配器本身并不是stream, 它一般会把所有针对字节的方法都隐藏起来. 所以本文就不介绍适配器了.

总结一下:

backing store stream 提供原始数据, 装饰器stream提供透明的转换(例如加密); 适配器提供方法来处理高级别的类型例如字符串和xml.

想要连成串的话, 秩序把对象传递到另一个对象的构造函数里.

使用Stream

Stream抽象类是所有Stream的基类.

它的方法和属性主要分三类基本操作: 读, 写, 寻址(Seek); 和管理操作: 关闭(close), 冲(flush)和设定超时:

这些方法都有异步的版本, 加async, 返回Task即可.

一个例子:

using System;
using System.IO;

namespace Test
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            // 在当前目录创建按一个 test.txt 文件
            using (Stream s = new FileStream("test.txt", FileMode.Create))
            {
                Console.WriteLine(s.CanRead); // True
                Console.WriteLine(s.CanWrite); // True
                Console.WriteLine(s.CanSeek); // True
                s.WriteByte(101);
                s.WriteByte(102);
                byte[] block = { 1, 2, 3, 4, 5 };
                s.Write(block, 0, block.Length); // 写 5 字节
                Console.WriteLine(s.Length); // 7
                Console.WriteLine(s.Position); // 7
                s.Position = 0; // 回到开头位置
                Console.WriteLine(s.ReadByte()); // 101
                Console.WriteLine(s.ReadByte()); // 102
                                                 // 从block数组开始的地方开始read:
                Console.WriteLine(s.Read(block, 0, block.Length)); // 5
                                                                   // 假设最后一次read返回 5, 那就是在文件结尾, 所以read会返回0:
                Console.WriteLine(s.Read(block, 0, block.Length)); // 0
            }
        }
    }
}

运行结果:

异步例子:

using System;
using System.IO;
using System.Threading.Tasks;

namespace Test
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Task.Run(AsyncDemo).GetAwaiter().GetResult();
        }

        async static Task AsyncDemo()
        {
            using (Stream s = new FileStream("test.txt", FileMode.Create))
            {
                byte[] block = { 1, 2, 3, 4, 5 };
                await s.WriteAsync(block, 0, block.Length); 
                s.Position = 0;
                Console.WriteLine(await s.ReadAsync(block, 0, block.Length));
            }
        }
    }
}

异步版本比较适合慢的stream, 例如网络的stream.

读和写

CanRead和CanWrite属性可以判断Stream是否可以读写.

Read方法把stream的一块数据写入到数组, 返回接受到的字节数, 它总是小于等于count这个参数. 如果它小于count, 就说明要么是已经读取到stream的结尾了, 要么stream给的数据块太小了(网络stream经常这样).

一个读取1000字节stream的例子:

 // 假设s是某个stream
            byte[] data = new byte[1000];
            // bytesRead 的结束位置肯定是1000, 除非stream的长度不足1000
            int bytesRead = 0;
            int chunkSize = 1;
            while (bytesRead < data.Length && chunkSize > 0)
                bytesRead +=
                   chunkSize = s.Read(data, bytesRead, data.Length - bytesRead);

ReadByte方法更简单一些, 一次就读一个字节, 如果返回-1表示读取到stream的结尾了. 返回类型是int.

Write和WriteByte就是相应的写入方法了. 如果无法写入某个字节, 那就会抛出异常.

上面方法签名里的offset参数, 表示的是缓冲数组开始读取或写入的位置, 而不是指stream里面的位置.

寻址 Seek

CanSeek为true的话, Stream就可以被寻址. 可以查询和修改可寻址的stream(例如文件stream)的长度, 也可以随时修改读取和写入的位置.

Position属性就是所需要的, 它是相对于stream开始位置的.

Seek方法就允许你移动到当前位置或者stream的尾部.

注意改变FileStream的Position会花去几微秒. 如果是在大规模循环里面做这个操作的话, 建议使用MemoryMappedFile类.

对于不可寻址的Stream(例如加密Stream), 想知道它的长度只能是把它读完. 而且你要是想读取前一部分的话必须关闭stream, 然后再开始一个全新的stream才可以.

关闭和Flush

Stream用完之后必须被处理掉(dispose)来释放底层资源例如文件和socket处理. 通常使用using来实现.

  • Dispose和Close方法功能上是一样的.
  • 重复close和flush一个stream不会报错.

关闭装饰器stream的时候会同时关闭装饰器和它的backing store stream.

针对一连串的装饰器装饰的stream, 关闭最外层的装饰器就会关闭所有.

有些stream从backing store读取/写入的时候有一个缓存机制, 这就减少了实际到backing store的往返次数以达到提高性能的目的(例如FileStream).

这就意味着你写入数据到stream的时候可能不会立即写入到backing store; 它会有延迟, 直到缓冲被填满.

Flush方法会强制内部缓冲的数据被立即的写入. Flush会在stream关闭的时候自动被调用. 所以你不需要这样写: s.Flush(); s.Close();

超时

如果CanTimeout属性为true的话, 那么该stream就可以设定读或写的超时.

网络stream支持超时, 而文件和内存stream则不支持.

支持超时的stream, 通过ReadTimeout和WriteTimeout属性可以设定超时, 单位毫秒. 0表示无超时.

Read和Write方法通过抛出异常的方式来表示超时已经发生了.

线程安全

stream并不是线程安全的, 也就是说两个线程同时读或写一个stream的时候就会报错.

Stream通过Synchronized方法来解决这个问题. 该方法接受stream为参数, 返回一个线程安全的包装结果.

这个包装结果在每次读, 写, 寻址的时候会获得一个独立锁/排他锁, 所以同一时刻只有一个线程可以执行操作.

实际上, 这允许多个线程同时为同一个数据追加数据, 而其他类型的操作(例如同读)则需要额外的锁来保证每个线程可以访问到stream相应的部分.

Backing Store Stream

FileStream

文件流

构建一个FileStream

FileStream fs1 = File.OpenRead("readme.bin"); // Read-only
FileStream fs2 = File.OpenWrite(@"c:\temp\writeme.tmp"); // Write-only
FileStream fs3 = File.Create(@"c:\temp\writeme.tmp"); // Read/write

OpenWrite和Create对于已经存在的文件来说, 它的行为是不同的.

Create会把现有文件的内容清理掉, 写入的时候从头开写.

OpenWrite则是完整的保存着现有的内容, 而stream的位置定位在0. 如果写入的内容比原来的内容少, 那么OpenWrite打开并写完之后的内容是原内容和新写入内容的混合体.

直接构建FileStream:

var fs = new FileStream ("readwrite.tmp", FileMode.Open); // Read/write

其构造函数里面还可以传入其他参数, 具体请看文档.

File类的快捷方法:

下面这些静态方法会一次性把整个文件读进内存:

  • File.ReadAllText(返回string)
  • File.ReadAllLines(返回string数组) 
  • File.ReadAllBytes(返回byte数组)

下面的方法直接写入整个文件:

  • File.WriteAllText
  • File.WriteAllLines
  • File.WriteAllBytes
  • File.AppendAllText (很适合附加log文件) 

还有一个静态方法叫File.ReadLines: 它有点想ReadAllLines, 但是它返回的是一个懒加载的IEnumerable<string>. 这个实际上效率更高一些, 因为不必一次性把整个文件都加载到内存里. LINQ非常适合处理这个结果. 例如:

int longLines = File.ReadLines ("filePath").Count (l => l.Length > 80);

指定的文件名:

可以是绝对路径也可以是相对路径.

可已修改静态属性Environment.CurrentDirectory的值来改变当前的路径. (注意: 默认的当前路径不一定是exe所在的目录)

AppDomain.CurrentDomain.BaseDirectory会返回应用的基目录, 它通常是包含exe的目录. 

指定相对于这个目录的地址最好使用Path.Combine方法:

            string baseFolder = AppDomain.CurrentDomain.BaseDirectory;
            string logoPath = Path.Combine(baseFolder, "logo.jpg");
            Console.WriteLine(File.Exists(logoPath));

通过网络对文件读写要使用UNC路径:

例如: \\JoesPC\PicShare \pic.jpg 或者 \\10.1.1.2\PicShare\pic.jpg.

FileMode:

所有的FileStream的构造器都会接收一个文件名和一个FileMode枚举作为参数. 如果选择FileMode请看下图:

其他特性还是需要看文档.

MemoryStream

MemoryStream在随机访问不可寻址的stream时就有用了.

如果你知道源stream的大小可以接受, 你就可以直接把它复制到MemoryStream里:

            var ms = new MemoryStream();
            sourceStream.CopyTo(ms);

可以通过ToArray方法把MemoryStream转化成数组.

GetBuffer方法也是同样的功能, 但是因为它是直接把底层的存储数组的引用直接返回了, 所以会更有效率. 不过不幸的是, 这个数组通常比stream的真实长度要长.

注意: Close和Flush 一个MemoryStream是可选的. 如果关闭了MemoryStream, 你就再也不能对它读写了, 但是仍然可以调用ToArray方法来获取其底层的数据.

Flush则对MemoryStream毫无用处.

PipeStream

PipeStream通过Windows Pipe 协议, 允许一个进程(process)和另一个进程通信.

分两种:

  • 匿名进程(快一点), 允许同一个电脑内的父子进程单向通信.
  • 命名进程(更灵活), 允许同一个电脑内或者同一个windows网络内的不同电脑间的任意两个进程间进行双向通信

pipe很适合一个电脑上的进程间交互(IPC), 它并不依赖于网络传输, 这也意味着没有网络开销, 也不在乎防火墙.

注意: pipe是基于Stream的, 一个进程等待接受一串字符的同时另一个进程发送它们.

PipeStream是抽象类.

具体的实现类有4个:

匿名pipe:

  • AnonymousePipeServerStream
  • AnonymousePipeClientStream

命名Pipe:

  • NamedPipeServerStream
  • NamePipeClientStream

命名Pipe

命名pipe的双方通过同名的pipe进行通信. 协议规定了两个角色: 服务器和客户端. 按照下述方式进行通信:

  • 服务器实例化一个NamedPipeServerStream然后调用WaitForConnection方法.
  • 客户端实例化一个NamedPipeClientStream然后调用Connect方法(可以设定超时).

然后双方就可以读写stream来进行通信了.

例子:

using System;
using System.IO;
using System.IO.Pipes;
using System.Threading.Tasks;

namespace Test
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString());
            using (var s = new NamedPipeServerStream("pipedream"))
            {
                s.WaitForConnection();
                s.WriteByte(100); // Send the value 100.
                Console.WriteLine(s.ReadByte());
            }
            Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString());
        }
    }
}
using System;
using System.IO.Pipes;

namespace Test2
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString());
            using (var s = new NamedPipeClientStream("pipedream"))
            {
                s.Connect();
                Console.WriteLine(s.ReadByte());
                s.WriteByte(200); // Send the value 200 back.
            }
            Console.WriteLine(DateTime.Now.ToString());
        }
    }
}

命名的PipeStream默认情况下是双向的, 所以任意一方都可以进行读写操作, 这也意味着服务器和客户端必须达成某种协议来协调它们的操作, 避免同时进行发送和接收.

还需要协定好每次传输的长度.

在处理长度大于一字节的信息的时候, pipe提供了一个信息传输的模式, 如果这个启用了, 一方在调用read的时候可以通过检查IsMessageComplete属性来知道消息什么时候结束.

例子:

        static byte[] ReadMessage(PipeStream s)
        {
            MemoryStream ms = new MemoryStream();
            byte[] buffer = new byte[0x1000]; // Read in 4 KB blocks
            do { ms.Write(buffer, 0, s.Read(buffer, 0, buffer.Length)); }
            while (!s.IsMessageComplete); return ms.ToArray();
        }

注意: 针对PipeStream不可以通过Read返回值是0的方式来它是否已经完成读取消息了. 这是因为它和其他的Stream不同, pipe stream和network stream没有确定的终点. 在两个信息传送动作之间, 它们就干等着.

这样启用信息传输模式, 服务器端 :

using (var s = new NamedPipeServerStream("pipedream", PipeDirection.InOut, 1, PipeTransmissionMode.Message))
            {
                s.WaitForConnection();
                byte[] msg = Encoding.UTF8.GetBytes("Hello");
                s.Write(msg, 0, msg.Length);
                Console.WriteLine(Encoding.UTF8.GetString(ReadMessage(s)));
            }

客户端:

            using (var s = new NamedPipeClientStream("pipedream"))
            {
                s.Connect();
                s.ReadMode = PipeTransmissionMode.Message;
                Console.WriteLine(Encoding.UTF8.GetString(ReadMessage(s)));
                byte[] msg = Encoding.UTF8.GetBytes("Hello right back!");
                s.Write(msg, 0, msg.Length);
            }

匿名pipe:

匿名pipe提供父子进程间的单向通信. 流程如下:

  • 服务器实例化一个AnonymousPipeServerStream, 并指定PipeDirection是In还是Out
  • 服务器调用GetClientHandleAsString方法来获取一个pipe的标识, 然后会把它传递给客户端(通常是启动子进程的参数 argument)
  • 子进程实例化一个AnonymousePipeClientStream, 指定相反的PipeDirection
  • 服务器通过调用DisposeLocalCopyOfClientHandle释放步骤2的本地处理, 
  • 父子进程间通过读写stream进行通信

因为匿名pipe是单向的, 所以服务器必须创建两份pipe来进行双向通信

例子:

server:

using System;
using System.Diagnostics;
using System.IO;
using System.IO.Pipes;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace Test
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            string clientExe = @"D:\Projects\Test2\bin\Debug\netcoreapp2.0\win10-x64\publish\Test2.exe";
            HandleInheritability inherit = HandleInheritability.Inheritable;
            using (var tx = new AnonymousPipeServerStream(PipeDirection.Out, inherit))
            using (var rx = new AnonymousPipeServerStream(PipeDirection.In, inherit))
            {
                string txID = tx.GetClientHandleAsString();
                string rxID = rx.GetClientHandleAsString();
                var startInfo = new ProcessStartInfo(clientExe, txID + " " + rxID);
                startInfo.UseShellExecute = false; // Required for child process
                Process p = Process.Start(startInfo);
                tx.DisposeLocalCopyOfClientHandle(); // Release unmanaged
                rx.DisposeLocalCopyOfClientHandle(); // handle resources.
                tx.WriteByte(100);
                Console.WriteLine("Server received: " + rx.ReadByte());
                p.WaitForExit();
            }
        }
    }
}

client:

using System;
using System.IO.Pipes;

namespace Test2
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            string rxID = args[0]; // Note we're reversing the
            string txID = args[1]; // receive and transmit roles.
            using (var rx = new AnonymousPipeClientStream(PipeDirection.In, rxID))
            using (var tx = new AnonymousPipeClientStream(PipeDirection.Out, txID))
            {
                Console.WriteLine("Client received: " + rx.ReadByte());
                tx.WriteByte(200);
            }
        }
    }
}

最好发布一下client成为独立运行的exe:

dotnet publish --self-contained --runtime win10-x64

运行结果:

匿名pipe不支持消息模式, 所以你必须自己来为传输的长度制定协议. 有一种做法是: 在每次传输的前4个字节里存放一个整数表示消息的长度, 可以使用BitConverter类来对整型和长度为4的字节数组进行转换.

BufferedStream

BufferedStream对另一个stream进行装饰或者说包装, 让它拥有缓冲的能力.它也是众多装饰stream类型中的一个.

缓冲肯定会通过减少往返backing store的次数来提升性能.

下面这个例子是把一个FileStream装饰成20k的缓冲stream:

            // Write 100K to a file:
            File.WriteAllBytes("myFile.bin", new byte[100000]);
            using (FileStream fs = File.OpenRead("myFile.bin"))
            using (BufferedStream bs = new BufferedStream(fs, 20000)) //20K buffer
            {
                bs.ReadByte();
                Console.WriteLine(fs.Position); // 20000
            }
        }

通过预读缓冲, 底层的stream会在读取1字节后, 直接预读了20000字节, 这样我们在另外调用ReadByte 19999次之后, 才会再次访问到FileStream.

这个例子是把BufferedStream和FileStream耦合到一起, 实际上这个例子里面的缓冲作用有限, 因为FileStream有一个内置的缓冲. 这个例子也只能扩大一下缓冲而已.

关闭BufferedStream就会关闭底层的backing store stream..

Stream适配器

Stream只按字节处理, 对string, 整型, xml等都是通过字节进行读写的, 所以必须插入一个适配器.

.NET Core提供了这些文字适配器:

  • TextReader, TextWriter
  • StreamReader, StreamWriter
  • StringReader, StringWriter

二进制适配器(适用于原始类型例如int bool string float等):

  • BinaryReader, BinaryWriter

XML适配器:

  • XmlReader, XmlWiter

这些适配器的关系图:

文字适配器

TextReader 和 TextWriter是文字适配器的基类. 它俩分别对应两套实现:

  • StreamReader/StreamWriter: 使用Stream作为原始数据存储, 把stream的字节转化成字符或字符串
  • StringReader/StringWriter: 使用的是内存中的字符串

TextReader:

Peek方法会返回下一个字符而不改变当前(可以看作是索引)的位置.

在Stream读取到结束点的时候Peek和无参数的Read方法都会返回-1, 否则它们会返回一个可以被转换成字符的整型.

Read的重载方法(接受char[]缓冲参数)在功能上和ReadBlock方法是一样的.

ReadLine方法会一直读取直到遇到了CR或LF或CR+LF对(以后再介绍), 然后会放回字符串, 但是不包含CR/LF等字符.

注意: C#应该使用"\r\n"来还行, 顺序写反了可能会不换行患者换两行.

TextWriter:

方法与TextReader类似.

Write和WriteLine有几个重载方法可以接受所有的原始类型, 还有object类型. 这些方法会调用被传入参数的ToString方法. 另外也可以在构造函数或者调用方法的时候通过IFormatProvider进行指定.

WriteLine会在给定的文字后边加上CR+LF, 您可以通过修改NewLine属性来改变这个行为(尤其是与UNIX文件格式交互的时候).

上面讲的这些方法, 都有异步版本的

StreamReader和StreamWriter

直接看例子即可:

            using (FileStream fs = File.Create("test.txt"))
            using (TextWriter writer = new StreamWriter(fs))
            {
                writer.WriteLine("Line 1");
                writer.WriteLine("Line 2");
            }

            using (FileStream fs = File.OpenRead("test.txt"))
            using (TextReader reader = new StreamReader(fs))
            {
                Console.WriteLine(reader.ReadLine());
                Console.WriteLine(reader.ReadLine());
            }

由于文字适配器经常要处理文件, 所以File类提供了一些静态方法例如: CreateText, AppendText, OpenText来做快捷操作:

上面的例子可以写成:

            using (TextWriter writer = File.CreateText("test.txt"))
            {
                writer.WriteLine("Line1");
                writer.WriteLine("Line2");
            }
            using (TextWriter writer = File.AppendText("test.txt"))
                writer.WriteLine("Line3");
            using (TextReader reader = File.OpenText("test.txt"))
                while (reader.Peek() > -1)
                    Console.WriteLine(reader.ReadLine());

代码中可以看到, 如何知道是否读取到了文件的结尾(通过reader.Peek()). 另一个方法是使用reader.ReadLine方法读取直到返回null.

也可以读取其他的类型, 例如int(因为TextWriter会调用ToString方法), 但是读取的时候想要变成原来的类型就得进行解析字符串操作了.

字符串编码

TextReader和TextWriter是抽象类, 跟sream或者backing store没有连接. StreamReader和StreamWriter则连接着一个底层的字节流, 所以它们必须对字符串和字节进行转换. 它们通过System.Text.Encoding类来做这些工作, 也就是构建StreamReader或StreamWriter的时候选择一个Encoding. 如果你没选那么就是UTF-8了.

注意: 如果你明确指定了一个编码, 那么StreamWriter默认会在流的前边加一个前缀, 这个前缀是用来识别编码的. 如果你不想这样做的话, 那么可以这样做:

            var encoding = new UTF8Encoding(
                encoderShouldEmitUTF8Identifier: false,
                throwOnInvalidBytes: true
            );

第二个参数是告诉StreamWriter, 如果遇到了本编码下的非法字符串, 那就抛出一个异常. 如果不指定编码的情况下, 也是这样的.

最简单的编码是ASCII, 每一个字符通过一个字节来表示. ASCII对Unicode的前127个字符进行了映射, 包含了US键盘上面所有的键. 而其他的字符, 例如特殊字符和非英语字符等无法被表达的字符则会显示成□. 默认的UTF-8编码影射了所有的Unicode字符, 但是它更复杂. 前127个字节使用单字节, 这是为了和ASCII兼容; 而剩下的字节编码成了不定长的字节数(通常是2或者3字节).

UTF-8处理西方语言的文字还不错, 但是在stream里面搜索/寻址就会遇到麻烦了, 这时可以使用UTF-16这个候选(Encoding类里面叫Unicode).

UTF-16针对每个字符使用2个或4个字节, 但是由于C#的char类型是16bit的, 所以针对.NET的char, UTF-16正好使用两个字节. 这样在stream里面找到特定字符的索引就方便多了.

UTF-16会使用一个2字节长的前缀, 来识别字节对是按little-endian还是big-endian的顺序存储的. windows系统默认使用little-endian.

StringReader和StringWriter

这两个适配器根本不包装stream; 它们使用String或StringBuilder作为数据源, 所以不需要字节转换. 

实际上这两个类存在的主要优势就是: 它们和StreamReader/StreamWriter具有同一个父类.

例如有一个含有xml的字符串, 我想把它用XmlReader进行解析, XmlReader.Create方法可以接受下列参数:

  • URI
  • Stream
  • TextReader

因为StringReader是TextReader的子类, 所以我就可以这样做:

XmlReader reader = XmlReader.Create(new StringReader("...xml string..."));

二进制适配器

BinaryReader和BinaryWriter可以读取/写入下列类型: bool, byte, char, decimal, float, double, short, int, long, sbyte, ushort, uint, ulong 以及string和由原始类型组成的数组.

和StreamReader/StreamWriter不同的是, 二进制适配器对原始数据类型的存储效率是非常高的, 因为都是在内存里.

int使用4个字节, double 8个字节......

string则是通过文字编码(就像StreamReader和StreamWriter), 但是长度是固定的, 以便可以对string回读, 而不需要使用分隔符.

举个例子:

public class Person
    {
        public string Name;
        public int Age;
        public double Height;

        public void SaveData(Stream s)
        {
            var w = new BinaryWriter(s);
            w.Write(Name);
            w.Write(Age);
            w.Write(Height);
            w.Flush();
        }

        public void LoadData(Stream s)
        {
            var r = new BinaryReader(s);
            Name = r.ReadString();
            Age = r.ReadInt32();
            Height = r.ReadDouble();
        }

    }

这个例子里, Person类使用SaveData和LoadData两个方法把它的数据写入到Stream/从Stream读取出来, 里面用的是二进制适配器.

由于BinaryReader可以读取到字节数组, 所以可以把要读取的内容转化成可寻址的stream:

byte[] data = new BinaryReader(s).ReadBytes((int)sbyte.Length);

关闭和清理Stream适配器

有四种做法可以把stream适配器清理掉:

  1. 只关闭适配器
  2. 关闭适配器, 然后关闭stream
  3. (对于Writers), Flush适配器, 然后关闭Stream.
  4. (对于Readers), 关闭Stream.

注意: Close和Dispose对于适配器来说功能是一样的, 这点对Stream也一样.

上面的前两种写法实际上是一样的, 因为关闭适配器的话会自动关闭底层的Stream. 当嵌套使用using的时候, 就是隐式的使用方法2:

            using (FileStream fs = File.Create("test.txt"))
            using (TextWriter writer = new StreamWriter(fs))
            {
                writer.WriteLine("Line");
            }

这是因为嵌套的dispose是从内而外的, 适配器先关闭, 然后是Stream. 此外, 如果在适配器的构造函数里发生异常了, 这个Stream仍然会关闭, 嵌套使用using是很难出错的.

注意: 不要在关闭或flush stream的适配器writer之前去关闭stream, 那会截断在适配器缓冲的数据.

第3, 4中方法之所以可行, 是因为适配器是比较另类的, 它们是可选disposable的对象. 看下面的例子:

            using (FileStream fs = new FileStream("test.txt", FileMode.Create))
            {
                StreamWriter writer = new StreamWriter(fs);
                writer.WriteLine("Hello");
                writer.Flush();

                fs.Position = 0;
                Console.WriteLine(fs.ReadByte());
            }

这里, 我对一个文件进行了写入动作, 然后重定位stream, 读取第一个字节. 我想把Stream开着, 因为以后还要用到.

这时, 如果我dispose了StreamWriter, 那么FileStream就被关闭了, 以后就无法操作它了. 所以没有调用writer的dispose或close方法.

但是这里需要flush一下, 以确保StreamWriter的缓存的内容都写入到了底层的stream里.

注意: 鉴于适配器的dispose是可选的, 所以不再使用的适配器就可以躲开GC的清理操作.

.net 4.5以后, StreamReader/StreamWriter有了一个新的构造函数, 它可以接受一个参数, 来指定在dispose之后是否让Stream保持开放:

            using (var fs = new FileStream("test.txt", FileMode.Create))
            {
                using (var writer = new StreamWriter(fs, new UTF8Encoding(false, true),
                0x400, true))
                    writer.WriteLine("Hello");
                fs.Position = 0; Console.WriteLine(fs.ReadByte());
                Console.WriteLine(fs.Length);
            }

压缩Stream

在System.IO.Compression下有两个压缩Stream: DeflateStream和GZipStream. 它们都使用了一个类似于ZIP格式的压缩算法. 不同的是GZipStream会在开头和结尾写入额外的协议--包括CRC错误校验.GZipStream也符合其他软件的标准.

这两种Stream在读写的时候有这两个条件:

  • 写入Stream的时候是压缩
  • 读取Stream的时候是解压缩

DeflateStream和GZipStream都是装饰器(参考装饰设计模式); 它们会压缩/解压缩从构造函数传递进来的Stream. 例如:

            using (Stream s = File.Create("compressed.bin"))
            using (Stream ds = new DeflateStream(s, CompressionMode.Compress))
                for (byte i = 0; i < 100; i++)
                    ds.WriteByte(i);
            using (Stream s = File.OpenRead("compressed.bin"))
            using (Stream ds = new DeflateStream(s, CompressionMode.Decompress))
                for (byte i = 0; i < 100; i++)
                    Console.WriteLine(ds.ReadByte()); // Writes 0 to 99

上面这个例子里, 即使是压缩的比较小的, 文件在压缩后也有241字节长, 比原来的两倍还多....这是因为, 压缩算法对于这种"稠密"的非重复的二进制数据处理的很不好(加密的数据更完), 但是它对文本类的文件还是处理的很好的.

            Task.Run(async () =>
            {
                string[] words = "The quick brown fox jumps over the lazy dog".Split();
                Random rand = new Random();
                using (Stream s = File.Create("compressed.bin"))
                using (Stream ds = new DeflateStream(s, CompressionMode.Compress))
                using (TextWriter w = new StreamWriter(ds))
                    for (int i = 0; i < 1000; i++)
                        await w.WriteAsync(words[rand.Next(words.Length)] + " ");
                Console.WriteLine(new FileInfo("compressed.bin").Length);
                using (Stream s = File.OpenRead("compressed.bin"))
                using (Stream ds = new DeflateStream(s, CompressionMode.Decompress))
                using (TextReader r = new StreamReader(ds))
                    Console.Write(await r.ReadToEndAsync());
            }).GetAwaiter().GetResult();

压缩后的长度是856!

在内存中压缩

有时候需要把整个压缩都放在内存里, 这就要用到MemoryStream:

            byte[] data = new byte[1000]; // 对于空数组, 我们可以期待一个很好的压缩比率!
            var ms = new MemoryStream();
            using (Stream ds = new DeflateStream(ms, CompressionMode.Compress))
                ds.Write(data, 0, data.Length);
            byte[] compressed = ms.ToArray();
            Console.WriteLine(compressed.Length); // 14
                                                  // 解压回数组:
            ms = new MemoryStream(compressed);
            using (Stream ds = new DeflateStream(ms, CompressionMode.Decompress))
                for (int i = 0; i < 1000; i += ds.Read(data, i, 1000 - i)) ;

这里第一个using走完的时候MemoryStream会被关闭, 所以只能使用ToArray方法来提取它的数据.

下面是另外一种异步的做法, 可以避免关闭MemoryStream:

            Task.Run(async () =>
            {
                byte[] data = new byte[1000];
                MemoryStream ms = new MemoryStream();
                using (Stream ds = new DeflateStream(ms, CompressionMode.Compress, true))
                    await ds.WriteAsync(data, 0, data.Length);
                Console.WriteLine(ms.Length);
                ms.Position = 0;
                using (Stream ds = new DeflateStream(ms, CompressionMode.Decompress))
                    for (int i = 0; i < 1000; i += await ds.ReadAsync(data, i, 1000 - i)) ;
            }).GetAwaiter().GetResult();

注意DeflateStream的最后一个参数.

ZIP文件操作

.NET 4.5之后, 通过新引入的ZpiArchive和ZipFile类(System.IO.Compression下, Assembly是System.IO.Compression.FileSytem.dll), 我们就可以直接操作zip文件了.

zip格式相对于DelfateStream和GZipStream的优势是, 它可以作为多个文件的容器.

ZipArchive配合Stream进行工作, 而ZipFile则是更多的和文件打交道.(ZipFile是ZipArchive的一个Helper类).

ZipFIle的CreateFromDirectory方法会把指定目录下的所有文件打包成zip文件:

ZipFile.CreateFromDirectory (@"d:\MyFolder", @"d:\compressed.zip");

而ExtractToDirectory则是做相反的工作:

ZipFile.ExtractToDirectory (@"d:\compressed.zip", @"d:\MyFolder");

压缩的时候, 可以指定是否对文件的大小, 压缩速度进行优化, 也可以指定压缩后是否包含源目录.

ZipFile的Open方法可以用来读写单独的条目, 它会返回一个ZipArchive对象(你也可以通过使用Stream对象初始化ZipArchive对象得到). 调用Open方法的时候, 你可以指定文件名和指定想要进行的动作: 读, 写, 更新. 你可以通过Entries属性遍历所有的条目, 想找到特定的条目可以使用GetEntry方法:

using (ZipArchive zip = ZipFile.Open (@"d:\zz.zip", ZipArchiveMode.Read))
    foreach (ZipArchiveEntry entry in zip.Entries)
        Console.WriteLine (entry.FullName + " " + entry.Length);

ZipArchiveEntry还有一个Delete方法和一个ExtractToFile(这个其实是ZipFIleExtensions里面的extension方法)方法, 还有个Open方法返回可读写的Stream. 你可以通过调用CreateEntry方法(或者CreateEntryFromFile这个extension方法)在ZipArchive上创建新的条目.

例子:

byte[] data = File.ReadAllBytes (@"d:\foo.dll");
using (ZipArchive zip = ZipFile.Open (@"d:\zz.zip", ZipArchiveMode.Update))
    zip.CreateEntry (@"bin\X64\foo.dll").Open().Write (data, 0, data.Length);

上面例子里的操作完全可以在内存中实现, 使用MemoryStream即可.

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