不学无数—Java 中 IO 和 NIO

使用过滤器添加有用的属性和有用的接口

Java的I/O类库需要多种不同功能的组合,这正是装饰模式的理由所在。而这也是java的I/O类库中存在Filter(过滤器)类的原因所在,Filter作为所有装饰类的基类。

类功能BufferedInputStream使用它可以防止每次读取都进行与磁盘的交互,使用缓冲区进行一次性读取固定值的以后再向磁盘中执行写操作,减少了与磁盘的交互次数。提高速度DataInputStream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

举个简单使用过滤器进行读取一个文件的内容并输出,例子如下:

public static void main(String[] args) throws IOException {
InputStream inputStream = new BufferedInputStream(new FileInputStream("/Users/hupengfei/Downloads/a.sql"));
byte[] buffer = new byte[1024];
while ( inputStream.read(buffer)!=-1){
System.out.println(new String(buffer));
}
inputStream.close();
}
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复制一个文件的例子:

public static void main(String[] args) throws IOException {
InputStream inputStream =new BufferedInputStream(new FileInputStream("/Users/hupengfei/Downloads/leijicheng.png"));
OutputStream outputStream =new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("/Users/hupengfei/Downloads/fuzhi.png"));
byte [] buffer = new byte[1024];
while (inputStream.read(buffer)!=-1){
outputStream.write(buffer);
}
outputStream.flush();

inputStream.close();
outputStream.close();
}
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如果要使用 BufferedOutputStream 进行在文件中写入的话,那么在缓冲区写完之后要记得调用 flush() 清空缓冲区。强行将缓冲区中的数据写出。否则可能无法写出数据。

基于字符的操作

不管是磁盘还是网络传输,最小的存储单元都是字节,而不是字符,所以 I/O 操作的都是字节而不是字符,但是为啥有操作字符的 I/O 接口呢?这是因为我们的程序中通常操作的数据都是以字符形式,为了操作方便当然要提供一个直接写字符的 I/O 接口。

还是老规矩,我们先来看一下关于 Reader 的类图,对应的字节流是 InputStream

不学无数—Java 中 IO 和 NIO

其中的 InputStreamReader 是可以将 InputStream 转换为 Reader 即将字节翻译为字符。其中为什么要设计 Reader 和 Writer ,主要是为了国际化,之前的字节流仅仅支持8位的字节流,不能很好的处理16位的Unicode字符,由于Unicode用于字符国际化,所以添加了 Reader 和 Writer 是为了在所有的I/O操作中都支持Unicode。

在某些场合,面向字节流 InputStream 和 OutputStream 才是正确的解决方案,特别是在 java.util.zip 类库就是面向字节流而不是面向字符的。因此,最明智的做法就是尽量优先使用 Reader 和 Writer ,一旦程序无法编译,那么我们就会发现自己不得不使用面向字节类库。

还是写一个相关的读取文件的简单例子

public static void main(String[] args) throws IOException {
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new FileReader("/Users/hupengfei/Downloads/a.sql"));
String date;
StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
while ((date = bufferedReader.readLine()) != null){
stringBuilder.append(date +"\n");
}
bufferedReader.close();
System.out.println(stringBuilder.toString());
}
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调用 readLine() 方法时要添加换行符,因为 readLine() 自动将换行符给删除了

NIO又是什么

在 JDK1.4 中添加了NIO类,我们也可以称之为新I/O。NIO 的创建目的是为了让 Java 程序员可以实现高速 I/O 而无需编写自定义的本机代码。NIO 将最耗时的 I/O 操作(即填充和提取缓冲区)转移回操作系统,因而可以极大地提高速度。

速度的提高来自于所使用的结构更接近于操作系统执行I/O的方式:通道(Channel)和缓冲器(Buffer)

通道和缓冲器是NIO中的核心对象,几乎每一个I/O操作中都会使用它们。通道是对原I/O包中的流的模拟。到任何地方(来自任何地方)的数据都得必须通过一个Channel对象。一个Buffer实质上是一个容器对象。发送给一个通道的所有对象都必须首先放到Buffer缓冲器中。

我们可以将它们想象成一个煤矿,通道就是一个包含煤矿(数据)的矿藏,而缓冲器就是派送到矿藏中的矿车,矿车载满煤炭而归,我们再从矿车上获取煤炭。也就是说,我们并没有直接和通道交互,我们只是和缓冲器进行交互。

缓冲器(Buffer)介绍

Buffer是一个对象,它包含着一些需要读取的数据或者是要传输的数据。在NIO中加入了Buffer对象,体现了和之前的I/O的一个重要的区别。在面向流的I/O中我们直接通过流对象直接和数据进行交互的,但是在NIO中我们和数据的交互必须通过Buffer了。

缓冲器实质上是一个数组。通常它是一个字节的数组,但是也可以使用其他种类的数组。但是一个缓冲器不仅仅是一个数组,缓冲器提供了对数据结构化的访问,而且还可以跟踪系统的读写进程。

接下来我们可以看一下 Buffer 相关的实现类

不学无数—Java 中 IO 和 NIO

每一个 Buffer 类都是 Buffer 接口的一个实例。 除了 ByteBuffer ,每一个 Buffer 类都有完全一样的操作,只是它们所处理的数据类型不一样。因为大多数标准 I/O 操作都使用 ByteBuffer ,所以它具有所有共享的缓冲区操作以及一些特有的操作。

ByteBuffer 是唯一一个直接与通道交互的缓冲器——也就说,可以存储未加工字节的缓冲器。当我们查看 ByteBuffer 源码时会发现其通过告知分配多少存储空间来创建一个 ByteBuffer 对象,并且还有一个方法选择集,用于以原始的字节形式或者基本数据类型输出和读取数据。但是,也没办法输出或者读取对象,即是是字符串的对象也不行。这种处理方式虽然很低级,但是正好,因为这是大多数操作系统中更有效的映射方式。

通道(Channel)介绍

Channel 是一个对象,缓冲器可以通过它进行读取和写入数据。和原来的I/O做个比较,通道就像个流。正如前面所提到的, Channel 是不和数据进行交互。但是它和流有一点不同,就是通道是双向的,而流只能是单向的(只能是InputStream或者OutputStream),但是通道可以用于读、写或者是同时用于读写。

在之前的I/O中有三个类被修改,可以用来产生 FileChannel 对象。这三个类是 FileInputStream 、 FileOutputStream 以及既用于读也用于写的 RandomAccessFile 。

下面就举个创建 FileChannel 的例子。

FileChannel in = new FileInputStream("fileName").getChannel();
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NIO的使用

我会举一个简单的例子来演示如何使用NIO对文件进行复制的操作。还是上面所说的,NIO中对数据操作的是缓冲器,和缓冲器交互的通道,所以现在需要我们有两个对象一个是 Buffer和 Channel 。

public static void main(String[] args) throws IOException {
//获取读通道
FileChannel in = new FileInputStream("/Users/hupengfei/Downloads/hu.sql").getChannel();
//获取写通道
FileChannel out = new FileOutputStream("/Users/hupengfei/Downloads/a.sql").getChannel();
//为缓冲器进行初始化大小
ByteBuffer byteBuffer =ByteBuffer.allocate(1024);
while (in.read(byteBuffer)!=-1){
//做好让人读的准备
byteBuffer.flip();
out.write(byteBuffer);
//清除数据
byteBuffer.clear();
}
}
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一旦要用从缓冲器中读取数据的话,那么就要调用缓冲器的 flip() 方法,让它做好让别人读取字节的准备。那么写完数据以后就要调用缓存器的 clear() 方法对所有的内部的指针重新安排,以便缓冲器在另一个 read() 操作期间能够做好接受数据的准备。然后数据就会从源文件中源源不断的读到了目标文件中。

clear() 方法在源码中有介绍,此方法不会实际的清除在缓冲器的数据。

当然上面的方法也可以简便,直接将两个通道进行相连只需要调用 transferTo() 方法,这个也是复制文件的效果。

public static void main(String[] args) throws IOException {
FileChannel in = new FileInputStream("/Users/hupengfei/Downloads/hu.sql").getChannel();
FileChannel out = new FileOutputStream("/Users/hupengfei/Downloads/a.sql").getChannel();
in.transferTo(0,in.size(),out);
}
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