Java IO 字节流、字符流详解

1. 字节流与字符流

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流是一个很形象的概念，当程序需要读取数据的时候，就会开启一个通向数据源的流，这个数据源可以是文件，内存，或是网络连接。类似的，当程序需要写入数据的时候，就会开启一个通向目的地的流。

流的作用： 为数据源和目的地建立一个输送通道。

字节流操作的单元是数据单元是8位的字节，字符流操作的是数据单元为16位的字符。Java中字符是采用Unicode标准，Unicode 编码中，一个英文字母或一个中文汉字为两个字节。在UTF-8编码中，一个中文字符是3个字节。

字符流与字节流的对比：
字节流一般用来处理图像、视频、音频、PPT、Word等类型的文件。
字符流一般用于处理纯文本类型的文件，如TXT文件等，但不能处理图像视频等非文本文件。

总结： 字节流可以处理一切文件，而字符流只能处理纯文本文件。

字节流本身没有缓冲区，缓冲字节流相对于字节流，效率提升非常高。而字符流本身就带有缓冲区，缓冲字符流相对于字符流效率提升就不是那么大了。

2. 标准I/O

Java程序可通过命令行参数与外界进行简短的信息交换，同时，也规定了与标准输入、输出设备，如键盘、显示器进行信息交换的方式。而通过文件可以与外界进行任意数据形式的信息交换。

（1）命令行参数

public class TestArgs {public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < args.length; i++) {System.out.println("args[" + i + "] is <" + args[i] + ">");}}
}

运行命令：java Java C VB
运行结果：

args[0] is <Java>
args[1] is <C>
args[2] is <VB>

（2）标准输入、输出数据流

java系统自带的标准数据流：java.lang.System:

java.lang.System 
public final class System  extends Object{ static  PrintStream  err;//标准错误流（输出）static  InputStream  in;//标准输入(键盘输入流)static  PrintStream  out;//标准输出流(显示器输出流)
}

注意：
（1）System类不能创建对象，只能直接使用它的三个静态成员。
（2）每当main方法被执行时,就自动生成上述三个对象。

标准输出流 System.out

System.out向标准输出设备输出数据，其数据类型为PrintStream。方法：

Void print( 参数)
Void println( 参数)

标准输入流 System.in

System.in读取标准输入设备数据（从标准输入获取数据，一般是键盘），其数 据类型为InputStream。方法：

int read()   //返回ASCII码。若,返回值=-1，说明没有读取到任何字节读取工作结束。
int read(byte[] b)// 读入多个字节到缓冲区b中返回值是读入的字节数

例如：

import java.io.*;
public class StandardInputOutput {public static void main(String args[]) {int b;try {System.out.println("please Input:");while ((b = System.in.read()) != -1) {System.out.print((char) b);}} catch (IOException e) {System.out.println(e.toString());}}
}

运行结果：
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3. IO流常用的类与IO流分类

Java IO常用的类
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在整个Java.io包中最重要的就是5个类和一个接口。5个类指的是File、OutputStream、InputStream、Writer、Reader；一个接口指的是Serializable。掌握了这些IO的核心操作那么对于Java中的IO体系也就有了一个初步的认识了。
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Java I/O主要包括如下几个层次，包含三个部分：

  • 流式部分――IO的主体部分
    • 字节流
      • InputStream（二进制格式操作）：抽象类，基于字节的输入操作，是所有输入流的父类。定义了所有输入流都具有的共同特征。
      • OutputStream（二进制格式操作）：抽象类。基于字节的输出操作，是所有输出流的父类。定义了所有输出流都具有的共同特征。
    • 字符流
      • Reader（文件格式操作）：抽象类，基于字符的输入操作。
      • Writer（文件格式操作）：抽象类，基于字符的输出操作。
  • 非流式部分――主要包含一些辅助流式部分的类，如：File类、RandomAccessFile类和FileDescriptor等类
    • File（文件特征与管理）：用于文件或者目录的描述信息，例如生成新目录，修改文件名，删除文件，判断文件所在路径等。
    • RandomAccessFile（随机文件操作）：一个独立的类，直接继承至Object。它的功能丰富，可以从文件的任意位置进行存取（输入输出）操作。
  • 其他类–文件读取部分的与安全相关的类，如：SerializablePermission类，以及与本地操作系统相关的文件系统的类，如：FileSystem类和Win32FileSystem类和WinNTFileSystem类。

Java IO分类
1、根据处理数据类型的不同分为：字符流和字节流
2、根据数据流向不同分为：输入流和输出流
3、按数据来源（去向）分类：

  1. File（文件）： FileInputStream, FileOutputStream, FileReader, FileWriter
  2. byte[]：ByteArrayInputStream, ByteArrayOutputStream
  3. Char[]: CharArrayReader,CharArrayWriter
  4. String:StringBufferInputStream, StringReader, StringWriter
  5. 网络数据流：InputStream,OutputStream, Reader, Writer

IO流只读或只写，每个流只能是输入流或输出流的一种，不能同时具备两个功能，输入流只能进行读操作，对输出流只能进行写操作。在一个数据传输通道中，如果既要写入数据，又要读取数据，则要分别提供两个流。
下图是一个描述输入流和输出流的类层次图
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（1）输入字节流InputStream

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  1. InputStream：InputStream是所有字节输入流的抽象基类，前面说过抽象类不能被实例化，实际上是作为模板而存在的，为所有实现类定义了处理输入流的方法。
  2. FileInputSream：文件输入流，一个非常重要的字节输入流，用于对文件进行读取操作。
  3. PipedInputStream：管道字节输入流，能实现多线程间的管道通信。
  4. ByteArrayInputStream：字节数组输入流，从字节数组(byte[])中进行以字节为单位的读取，也就是将资源文件都以字节的形式存入到该类中的字节数组中去。
  5. FilterInputStream：装饰者类，具体的装饰者继承该类，这些类都是处理类，作用是对节点类进行封装，实现一些特殊功能。
  6. DataInputStream：数据输入流，它是用来装饰其它输入流，作用是“允许应用程序以与机器无关方式从底层输入流中读取基本 Java 数据类型”。
  7. BufferedInputStream：缓冲流，对节点流进行装饰，内部会有一个缓存区，用来存放字节，每次都是将缓存区存满然后发送，而不是一个字节或两个字节这样发送，效率更高。
  8. ObjectInputStream：对象输入流，用来提供对基本数据或对象的持久存储。通俗点说，也就是能直接传输对象，通常应用在反序列化中。它也是一种处理流，构造器的入参是一个InputStream的实例对象。

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InputStream中的三个基本的读方法
public abstract int read() ： 读取一个字节数据，并返回读到的数据，如果返回-1，表示读到了输入流的末尾。
public int read(byte[] b) ： 将数据读入一个字节数组，同时返回实际读取的字节数。如果返回-1，表示读到了输入流的末尾。
public int read(byte[] b, int off, int len) ： 将数据读入一个字节数组，同时返回实际读取的字节数。如果返回-1，表示读到了输入流的末尾。off指定在数组b中存放数据的起始偏移位置；len指定读取的最大字节数。

流结束的判断：方法read()的返回值为-1时；readLine()的返回值为null时。

（2）输出字节流OutputStream

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IO 中输出字节流的继承图可见上图，可以看出：

  1. OutputStream是所有的输出字节流的父类，它是一个抽象类。

  2. ByteArrayOutputStream、FileOutputStream是两种基本的介质流，它们分别向Byte数组、和本地文件中写入数据。PipedOutputStream是向与其它线程共用的管道中写入数据。

  3. ObjectOutputStream和所有FilterOutputStream的子类都是装饰流。
    在这里插入图片描述

outputStream中的三个基本的写方法
public abstract void write(int b)： 往输出流中写入一个字节。
public void write(byte[] b) ： 往输出流中写入数组b中的所有字节。
public void write(byte[] b, int off, int len) ： 往输出流中写入数组b中从偏移量off开始的len个字节的数据。

其它方法
public void flush() ： 刷新输出流，强制缓冲区中的输出字节被写出。
public void close() ： 关闭输出流，释放和这个流相关的系统资源。

（3）字符输入流Reader

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在上面的继承关系图中可以看出：

  1. Reader是所有的输入字符流的父类，它是一个抽象类。

  2. CharReader、StringReader是两种基本的介质流，它们分别将Char数组、String中读取数据。PipedReader是从与其它线程共用的管道中读取数据。

  3. BufferedReader很明显就是一个装饰器，它和其子类负责装饰其它Reader对象。

  4. FilterReader是所有自定义具体装饰流的父类，其子类PushbackReader对Reader对象进行装饰，会增加一个行号。

  5. InputStreamReader是一个连接字节流和字符流的桥梁，它将字节流转变为字符流。FileReader可以说是一个达到此功能、常用的工具类，在其源代码中明显使用了将FileInputStream转变为Reader的方法。我们可以从这个类中得到一定的技巧。Reader中各个类的用途和使用方法基本和InputStream中的类使用一致。后面会有Reader与InputStream的对应关系。

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Reader主要方法：
public int read() ： 读取一个字符，返回值为读取的字符
public int read(char cbuf[])： 读取一系列字符到数组cbuf[]中，返回值为实际读取的字符的数量
public abstract int read：读取len个字符，从数组cbuf[]的下标off处开始存放，返回值为实际读取的字符数量，该方法必须由子类实现

（4）字符输出流Writer

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  1. InputStreamReader：从字节流到字符流的桥梁（InputStreamReader构造器入参是FileInputStream的实例对象），它读取字节并使用指定的字符集将其解码为字符。它使用的字符集可以通过名称指定，也可以显式给定，或者可以接受平台的默认字符集。
  2. BufferedReader：从字符输入流中读取文本，设置一个缓冲区来提高效率。BufferedReader是对InputStreamReader的封装，前者构造器的入参就是后者的一个实例对象。
  3. FileReader：用于读取字符文件的便利类，new FileReader(File file)等同于new InputStreamReader(new FileInputStream(file, true),“UTF-8”)，但FileReader不能指定字符编码和默认字节缓冲区大小。
  4. PipedReader ：管道字符输入流。实现多线程间的管道通信。
  5. CharArrayReader：从Char数组中读取数据的介质流。
  6. StringReader ：从String中读取数据的介质流。

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Writer的主要方法：
public void write(int c) ： 将整型值c的低16位写入输出流
public void write(char cbuf[]) ：将字符数组cbuf[]写入输出流
public abstract void write(char cbuf[],int off,int len) ：将字符数组cbuf[]中的从索引为off的位置处开始的len个字符写入输出流
public void write(String str) ：将字符串str中的字符写入输出流
public void write(String str,int off,int len) ：将字符串str 中从索引off开始处的len个字符写入输出流

（5）字节流与输出的对应

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图中蓝色的为主要的对应部分，红色的部分就是不对应部分。从上面的图中可以看出JavaIO中的字节流是极其对称的。

  1. LineNumberInputStream主要完成从流中读取数据时，会得到相应的行号，至于什么时候分行、在哪里分行是由改类主动确定的，并不是在原始中有这样一个行号。在输出部分没有对应的部分，我们完全可以自己建立一个LineNumberOutputStream，在最初写入时会有一个基准的行号，以后每次遇到换行时会在下一行添加一个行号，看起来也是可以的。好像更不入流了。

  2. PushbackInputStream的功能是查看最后一个字节，不满意就放入缓冲区。主要用在编译器的语法、词法分析部分。输出部分的BufferedOutputStream几乎实现相近的功能。

  3. StringBufferInputStream已经被Deprecated，本身就不应该出现在InputStream部分，主要因为String应该属于字符流的范围。已经被废弃了，当然输出部分也没有必要需要它了！还允许它存在只是为了保持版本的向下兼容而已。

  4. SequenceInputStream可以认为是一个工具类，将两个或者多个输入流当成一个输入流依次读取。完全可以从IO包中去除，还完全不影响IO包的结构，却让其更“纯洁”――纯洁的Decorator模式。

  5. PrintStream也可以认为是一个辅助工具。主要可以向其他输出流，或者FileInputStream写入数据，本身内部实现还是带缓冲的。本质上是对其它流的综合运用的一个工具而已。一样可以踢出IO包！System.out和System.out就是PrintStream的实例！

（6）字符流的输入与输出的对应

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参考资料：
【Java基础-3】吃透Java IO：字节流、字符流、缓冲流

深入理解Java中的IO

Java(2)-Java IO输入输出流

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