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夯实Java基础系列16:一文读懂Java IO流和常见面试题

本系列文章将整理到我在GitHub上的《Java面试指南》仓库,更多精彩内容请到我的仓库里查看

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文章首发于我的个人博客:

www.how2playlife.com

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本文参考

并发编程网 – ifeve.com

IO概述

在这一小节,我会试着给出Java IO(java.io)包下所有类的概述。更具体地说,我会根据类的用途对类进行分组。这个分组将会使你在未来的工作中,进行类的用途判定时,或者是为某个特定用途选择类时变得更加容易。

输入和输出

术语“输入”和“输出”有时候会有一点让人疑惑。一个应用程序的输入往往是另外一个应用程序的输出
那么OutputStream流到底是一个输出到目的地的流呢,还是一个产生输出的流?InputStream流到底会不会输出它的数据给读取数据的程序呢?就我个人而言,在第一天学习Java IO的时候我就感觉到了一丝疑惑。
为了消除这个疑惑,我试着给输入和输出起一些不一样的别名,让它们从概念上与数据的来源和数据的流向相联系。

Java的IO包主要关注的是从原始数据源的读取以及输出原始数据到目标媒介。以下是最典型的数据源和目标媒介:

文件
管道
网络连接
内存缓存
System.in, System.out, System.error(注:Java标准输入、输出、错误输出)

下面这张图描绘了一个程序从数据源读取数据,然后将数据输出到其他媒介的原理:

外链图片转存失败(img-VIwahDo3-1567839588993)(http://ifeve.com/wp-content/uploads/2014/10/%E6%97%A0%E6%A0%87%E9%A2%981.png)

在Java IO中,流是一个核心的概念。流从概念上来说是一个连续的数据流。你既可以从流中读取数据,也可以往流中写数据。流与数据源或者数据流向的媒介相关联。在Java IO中流既可以是字节流(以字节为单位进行读写),也可以是字符流(以字符为单位进行读写)。

类InputStream, OutputStream, Reader 和Writer

一个程序需要InputStream或者Reader从数据源读取数据,需要OutputStream或者Writer将数据写入到目标媒介中。以下的图说明了这一点:

外链图片转存失败(img-dsCHgGDu-1567839588994)(http://ifeve.com/wp-content/uploads/2014/10/%E6%97%A0%E6%A0%87%E9%A2%982.png)

InputStream和Reader与数据源相关联,OutputStream和writer与目标媒介相关联。

Java IO的用途和特征

Java IO中包含了许多InputStream、OutputStream、Reader、Writer的子类。这样设计的原因是让每一个类都负责不同的功能。这也就是为什么IO包中有这么多不同的类的缘故。各类用途汇总如下:

文件访问
网络访问
内存缓存访问
线程内部通信(管道)
缓冲
过滤
解析
读写文本 (Readers / Writers)
读写基本类型数据 (long, int etc.)
读写对象

当通读过Java IO类的源代码之后,我们很容易就能了解这些用途。这些用途或多或少让我们更加容易地理解,不同的类用于针对不同业务场景。

Java IO类概述表

已经讨论了数据源、目标媒介、输入、输出和各类不同用途的Java IO类,接下来是一张通过输入、输出、基于字节或者字符、以及其他比如缓冲、解析之类的特定用途划分的大部分Java IO类的表格。

外链图片转存失败(img-a3UYZ3ow-1567839588995)(http://ifeve.com/wp-content/uploads/2014/10/QQ%E6%88%AA%E5%9B%BE20141020174145.png)

Java IO类图

外链图片转存失败(img-n1TqKmEv-1567839588995)(https://images.cnblogs.com/cnblogs_com/davidgu/java_io_hierarchy.jpg)

什么是Java IO流

Java IO流是既可以从中读取,也可以写入到其中的数据流。正如这个系列教程之前提到过的,流通常会与数据源、数据流向目的地相关联,比如文件、网络等等。

流和数组不一样,不能通过索引读写数据。在流中,你也不能像数组那样前后移动读取数据,除非使用RandomAccessFile 处理文件。流仅仅只是一个连续的数据流。

某些类似PushbackInputStream 流的实现允许你将数据重新推回到流中,以便重新读取。然而你只能把有限的数据推回流中,并且你不能像操作数组那样随意读取数据。流中的数据只能够顺序访问。

Java IO流通常是基于字节或者基于字符的。字节流通常以“stream”命名,比如InputStream和OutputStream。除了DataInputStream 和DataOutputStream 还能够读写int, long, float和double类型的值以外,其他流在一个操作时间内只能读取或者写入一个原始字节。字符流通常以“Reader”或者“Writer”命名。字符流能够读写字符(比如Latin1或者Unicode字符)。可以浏览Java Readers and Writers获取更多关于字符流输入输出的信息。

InputStream

java.io.InputStream类是所有Java IO输入流的基类。如果你正在开发一个从流中读取数据的组件,请尝试用InputStream替代任何它的子类(比如FileInputStream)进行开发。这么做能够让你的代码兼容任何类型而非某种确定类型的输入流。

组合流

你可以将流整合起来以便实现更高级的输入和输出操作。比如,一次读取一个字节是很慢的,所以可以从磁盘中一次读取一大块数据,然后从读到的数据块中获取字节。为了实现缓冲,可以把InputStream包装到BufferedInputStream中。

代码示例

InputStream input = new BufferedInputStream(new FileInputStream("c:\\data\\input-file.txt"));

缓冲同样可以应用到OutputStream中。你可以实现将大块数据批量地写入到磁盘(或者相应的流)中,这个功能由BufferedOutputStream实现。缓冲只是通过流整合实现的其中一个效果。你可以把InputStream包装到PushbackInputStream中,之后可以将读取过的数据推回到流中重新读取,在解析过程中有时候这样做很方便。或者,你可以将两个InputStream整合成一个SequenceInputStream。将不同的流整合到一个链中,可以实现更多种高级操作。通过编写包装了标准流的类,可以实现你想要的效果和过滤器。

IO文件

在Java应用程序中,文件是一种常用的数据源或者存储数据的媒介。所以这一小节将会对Java中文件的使用做一个简短的概述。这篇文章不会对每一个技术细节都做出解释,而是会针对文件存取的方法提供给你一些必要的知识点。在之后的文章中,将会更加详细地描述这些方法或者类,包括方法示例等等。

通过Java IO读文件

如果你需要在不同端之间读取文件,你可以根据该文件是二进制文件还是文本文件来选择使用FileInputStream或者FileReader。
这两个类允许你从文件开始到文件末尾一次读取一个字节或者字符,或者将读取到的字节写入到字节数组或者字符数组。你不必一次性读取整个文件,相反你可以按顺序地读取文件中的字节和字符。

如果你需要跳跃式地读取文件其中的某些部分,可以使用RandomAccessFile。

通过Java IO写文件

如果你需要在不同端之间进行文件的写入,你可以根据你要写入的数据是二进制型数据还是字符型数据选用FileOutputStream或者FileWriter。
你可以一次写入一个字节或者字符到文件中,也可以直接写入一个字节数组或者字符数据。数据按照写入的顺序存储在文件当中。

通过Java IO随机存取文件

正如我所提到的,你可以通过RandomAccessFile对文件进行随机存取。

随机存取并不意味着你可以在真正随机的位置进行读写操作,它只是意味着你可以跳过文件中某些部分进行操作,并且支持同时读写,不要求特定的存取顺序。
这使得RandomAccessFile可以覆盖一个文件的某些部分、或者追加内容到它的末尾、或者删除它的某些内容,当然它也可以从文件的任何位置开始读取文件。

下面是具体例子:

@Test
    //文件流范例,打开一个文件的输入流,读取到字节数组,再写入另一个文件的输出流
    public void test1() {
        try {
            FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(new File("a.txt"));
            FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(new File("b.txt"));
            byte []buffer = new byte[128];
            while (fileInputStream.read(buffer) != -1) {
                fileOutputStream.write(buffer);
            }
            //随机读写,通过mode参数来决定读或者写
            RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(new File("c.txt"), "rw");
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

字符流和字节流

Java IO的Reader和Writer除了基于字符之外,其他方面都与InputStream和OutputStream非常类似。他们被用于读写文本。InputStream和OutputStream是基于字节的,还记得吗?

Reader

Reader类是Java IO中所有Reader的基类。子类包括BufferedReader,PushbackReader,InputStreamReader,StringReader和其他Reader。

Writer

Writer类是Java IO中所有Writer的基类。子类包括BufferedWriter和PrintWriter等等。

这是一个简单的Java IO Reader的例子:

Reader reader = new FileReader("c:\\data\\myfile.txt");
int data = reader.read();
while(data != -1){
    char dataChar = (char) data;
    data = reader.read();
}

你通常会使用Reader的子类,而不会直接使用Reader。Reader的子类包括InputStreamReader,CharArrayReader,FileReader等等。可以查看Java IO概述浏览完整的Reader表格。

整合Reader与InputStream

一个Reader可以和一个InputStream相结合。如果你有一个InputStream输入流,并且想从其中读取字符,可以把这个InputStream包装到InputStreamReader中。把InputStream传递到InputStreamReader的构造函数中:

Reader reader = new InputStreamReader(inputStream);

在构造函数中可以指定解码方式。

Writer

Writer类是Java IO中所有Writer的基类。子类包括BufferedWriter和PrintWriter等等。这是一个Java IO Writer的例子:

Writer writer = new FileWriter("c:\\data\\file-output.txt"); 
writer.write("Hello World Writer"); 
writer.close();

同样,你最好使用Writer的子类,不需要直接使用Writer,因为子类的实现更加明确,更能表现你的意图。常用子类包括OutputStreamWriter,CharArrayWriter,FileWriter等。Writer的write(int c)方法,会将传入参数的低16位写入到Writer中,忽略高16位的数据。

整合Writer和OutputStream

与Reader和InputStream类似,一个Writer可以和一个OutputStream相结合。把OutputStream包装到OutputStreamWriter中,所有写入到OutputStreamWriter的字符都将会传递给OutputStream。这是一个OutputStreamWriter的例子:

Writer writer = new OutputStreamWriter(outputStream);

IO管道

Java IO中的管道为运行在同一个JVM中的两个线程提供了通信的能力。所以管道也可以作为数据源以及目标媒介。

你不能利用管道与不同的JVM中的线程通信(不同的进程)。在概念上,Java的管道不同于Unix/Linux系统中的管道。在Unix/Linux中,运行在不同地址空间的两个进程可以通过管道通信。在Java中,通信的双方应该是运行在同一进程中的不同线程。

通过Java IO创建管道

可以通过Java IO中的PipedOutputStream和PipedInputStream创建管道。一个PipedInputStream流应该和一个PipedOutputStream流相关联。
一个线程通过PipedOutputStream写入的数据可以被另一个线程通过相关联的PipedInputStream读取出来。

Java IO管道示例

这是一个如何将PipedInputStream和PipedOutputStream关联起来的简单例子:

//使用管道来完成两个线程间的数据点对点传递
    @Test
    public void test2() throws IOException {
        PipedInputStream pipedInputStream = new PipedInputStream();
        PipedOutputStream pipedOutputStream = new PipedOutputStream(pipedInputStream);
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    pipedOutputStream.write("hello input".getBytes());
                    pipedOutputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    byte []arr = new byte[128];
                    while (pipedInputStream.read(arr) != -1) {
                        System.out.println(Arrays.toString(arr));
                    }
                    pipedInputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

管道和线程

请记得,当使用两个相关联的管道流时,务必将它们分配给不同的线程。read()方法和write()方法调用时会导致流阻塞,这意味着如果你尝试在一个线程中同时进行读和写,可能会导致线程死锁。

管道的替代

除了管道之外,一个JVM中不同线程之间还有许多通信的方式。实际上,线程在大多数情况下会传递完整的对象信息而非原始的字节数据。但是,如果你需要在线程之间传递字节数据,Java IO的管道是一个不错的选择。

Java IO:网络

Java中网络的内容或多或少的超出了Java IO的范畴。关于Java网络更多的是在我的Java网络教程中探讨。但是既然网络是一个常见的数据来源以及数据流目的地,并且因为你使用Java IO的API通过网络连接进行通信,所以本文将简要的涉及网络应用。

当两个进程之间建立了网络连接之后,他们通信的方式如同操作文件一样:利用InputStream读取数据,利用OutputStream写入数据。换句话来说,Java网络API用来在不同进程之间建立网络连接,而Java IO则用来在建立了连接之后的进程之间交换数据。

基本上意味着如果你有一份能够对文件进行写入某些数据的代码,那么这些数据也可以很容易地写入到网络连接中去。你所需要做的仅仅只是在代码中利用OutputStream替代FileOutputStream进行数据的写入。因为FileOutputStream是OuputStream的子类,所以这么做并没有什么问题。

//从网络中读取字节流也可以直接使用OutputStream
public void test3() {
    //读取网络进程的输出流
    OutputStream outputStream = new OutputStream() {
        @Override
        public void write(int b) throws IOException {
        }
    };
}
public void process(OutputStream ouput) throws IOException {
    //处理网络信息
    //do something with the OutputStream
}

字节和字符数组

从InputStream或者Reader中读入数组

从OutputStream或者Writer中写数组

在java中常用字节和字符数组在应用中临时存储数据。而这些数组又是通常的数据读取来源或者写入目的地。如果你需要在程序运行时需要大量读取文件里的内容,那么你也可以把一个文件加载到数组中。

前面的例子中,字符数组或字节数组是用来缓存数据的临时存储空间,不过它们同时也可以作为数据来源或者写入目的地。

举个例子:

//字符数组和字节数组在io过程中的作用
    public void test4() {
        //arr和brr分别作为数据源
        char []arr = {'a','c','d'};
        CharArrayReader charArrayReader = new CharArrayReader(arr);
        byte []brr = {1,2,3,4,5};
        ByteArrayInputStream byteArrayInputStream = new ByteArrayInputStream(brr);
    }

System.in, System.out, System.err

System.in, System.out, System.err这3个流同样是常见的数据来源和数据流目的地。使用最多的可能是在控制台程序里利用System.out将输出打印到控制台上。

JVM启动的时候通过Java运行时初始化这3个流,所以你不需要初始化它们(尽管你可以在运行时替换掉它们)。

System.in
System.in是一个典型的连接控制台程序和键盘输入的InputStream流。通常当数据通过命令行参数或者配置文件传递给命令行Java程序的时候,System.in并不是很常用。图形界面程序通过界面传递参数给程序,这是一块单独的Java IO输入机制。
System.out
System.out是一个PrintStream流。System.out一般会把你写到其中的数据输出到控制台上。System.out通常仅用在类似命令行工具的控制台程序上。System.out也经常用于打印程序的调试信息(尽管它可能并不是获取程序调试信息的最佳方式)。
System.err
System.err是一个PrintStream流。System.err与System.out的运行方式类似,但它更多的是用于打印错误文本。一些类似Eclipse的程序,为了让错误信息更加显眼,会将错误信息以红色文本的形式通过System.err输出到控制台上。

System.out和System.err的简单例子:

这是一个System.out和System.err结合使用的简单示例:

 //测试System.in, System.out, System.err    
    public static void main(String[] args) {
        int in = new Scanner(System.in).nextInt();
        System.out.println(in);
        System.out.println("out");
        System.err.println("err");
        //输入10,结果是
//        err(红色)
//        10
//        out
    }

字符流的Buffered和Filter

BufferedReader能为字符输入流提供缓冲区,可以提高许多IO处理的速度。你可以一次读取一大块的数据,而不需要每次从网络或者磁盘中一次读取一个字节。特别是在访问大量磁盘数据时,缓冲通常会让IO快上许多。

BufferedReader和BufferedInputStream的主要区别在于,BufferedReader操作字符,而BufferedInputStream操作原始字节。只需要把Reader包装到BufferedReader中,就可以为Reader添加缓冲区(译者注:默认缓冲区大小为8192字节,即8KB)。代码如下:

Reader input = new BufferedReader(new FileReader("c:\\data\\input-file.txt"));

你也可以通过传递构造函数的第二个参数,指定缓冲区大小,代码如下:

Reader input = new BufferedReader(new FileReader("c:\\data\\input-file.txt"), 8 * 1024);

这个例子设置了8KB的缓冲区。最好把缓冲区大小设置成1024字节的整数倍,这样能更高效地利用内置缓冲区的磁盘。

除了能够为输入流提供缓冲区以外,其余方面BufferedReader基本与Reader类似。BufferedReader还有一个额外readLine()方法,可以方便地一次性读取一整行字符。

BufferedWriter

与BufferedReader类似,BufferedWriter可以为输出流提供缓冲区。可以构造一个使用默认大小缓冲区的BufferedWriter(译者注:默认缓冲区大小8 * 1024B),代码如下:

Writer writer = new BufferedWriter(new FileWriter("c:\\data\\output-file.txt"));

也可以手动设置缓冲区大小,代码如下:

Writer writer = new BufferedWriter(new FileWriter("c:\\data\\output-file.txt"), 8 * 1024);

为了更好地使用内置缓冲区的磁盘,同样建议把缓冲区大小设置成1024的整数倍。除了能够为输出流提供缓冲区以外,其余方面BufferedWriter基本与Writer类似。类似地,BufferedWriter也提供了writeLine()方法,能够把一行字符写入到底层的字符输出流中。

值得注意是,你需要手动flush()方法确保写入到此输出流的数据真正写入到磁盘或者网络中。

FilterReader

与FilterInputStream类似,FilterReader是实现自定义过滤输入字符流的基类,基本上它仅仅只是简单覆盖了Reader中的所有方法。

就我自己而言,我没发现这个类明显的用途。除了构造函数取一个Reader变量作为参数之外,我没看到FilterReader任何对Reader新增或者修改的地方。如果你选择继承FilterReader实现自定义的类,同样也可以直接继承自Reader从而避免额外的类层级结构。

JavaIO流面试题

什么是IO流?

它是一种数据的流从源头流到目的地。比如文件拷贝,输入流和输出流都包括了。输入流从文件中读取数据存储到进程(process)中,输出流从进程中读取数据然后写入到目标文件。

字节流和字符流的区别。

字节流在JDK1.0中就被引进了,用于操作包含ASCII字符的文件。JAVA也支持其他的字符如Unicode,为了读取包含Unicode字符的文件,JAVA语言设计者在JDK1.1中引入了字符流。ASCII作为Unicode的子集,对于英语字符的文件,可以可以使用字节流也可以使用字符流。

Java中流类的超类主要由那些?

java.io.InputStream

java.io.OutputStream

java.io.Reader

java.io.Writer

FileInputStream和FileOutputStream是什么?

这是在拷贝文件操作的时候,经常用到的两个类。在处理小文件的时候,它们性能表现还不错,在大文件的时候,最好使用BufferedInputStream (或 BufferedReader) 和 BufferedOutputStream (或 BufferedWriter)

System.out.println()是什么?

println是PrintStream的一个方法。out是一个静态PrintStream类型的成员变量,System是一个java.lang包中的类,用于和底层的操作系统进行交互。

什么是Filter流?

Filter Stream是一种IO流主要作用是用来对存在的流增加一些额外的功能,像给目标文件增加源文件中不存在的行数,或者增加拷贝的性能。

有哪些可用的Filter流?

在java.io包中主要由4个可用的filter Stream。两个字节filter stream,两个字符filter stream. 分别是FilterInputStream, FilterOutputStream, FilterReader and FilterWriter.这些类是抽象类,不能被实例化的。

在文件拷贝的时候,那一种流可用提升更多的性能?

在字节流的时候,使用BufferedInputStream和BufferedOutputStream。

在字符流的时候,使用BufferedReader 和 BufferedWriter

说说管道流(Piped Stream)

有四种管道流, PipedInputStream, PipedOutputStream, PipedReader 和 PipedWriter.在多个线程或进程中传递数据的时候管道流非常有用。

说说File类

它不属于 IO流,也不是用于文件操作的,它主要用于知道一个文件的属性,读写权限,大小等信息。

说说RandomAccessFile?

它在java.io包中是一个特殊的类,既不是输入流也不是输出流,它两者都可以做到。他是Object的直接子类。通常来说,一个流只有一个功能,要么读,要么写。但是RandomAccessFile既可以读文件,也可以写文件。 DataInputStream 和 DataOutStream有的方法,在RandomAccessFile中都存在。

参考文章

https://www.imooc.com/article/24305 https://www.cnblogs.com/UncleWang001/articles/10454685.html https://www.cnblogs.com/Jixiangwei/p/Java.html https://blog.csdn.net/baidu_37107022/article/details/76890019

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