吃透Java IO：字节流、字符流、缓冲流

IO流是Java中的一个重要构成部分，也是我们经常打交道的。

下面几个问题（问题还会继续补充），如果你能对答如流，那么恭喜你，IO知识掌握得很好，可以立即关闭文章。反之，你可以在后面得文章中寻找答案。

Java IO流有什么特点？
Java IO流分为几种类型？
字节流和字符流的关系与区别？
字符流是否使用了缓冲？
缓冲流的效率一定高吗？为什么？

1 初识Java IO

IO，即in和out，也就是输入和输出，指应用程序和外部设备之间的数据传递，常见的外部设备包括文件、管道、网络连接。

Java 中是通过流处理IO 的，那么什么是流？

流（Stream），是一个抽象的概念，是指一连串的数据（字符或字节），是以先进先出的方式发送信息的通道。

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。这时候你就可以想象数据好像在这其中“流”动一样。

一般来说关于流的特性有下面几点：

先进先出：最先写入输出流的数据最先被输入流读取到。
顺序存取：可以一个接一个地往流中写入一串字节，读出时也将按写入顺序读取一串字节，不能随机访问中间的数据。（RandomAccessFile除外）
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。

1.1 IO流分类 

IO流主要的分类方式有以下3种：

1. 按数据流的方向：输入流、输出流
2. 按处理数据单位：字节流、字符流
3. 按功能：节点流、处理流

1、输入流与输出流

输入与输出是相对于应用程序而言的，比如文件读写，读取文件是输入流，写文件是输出流，这点很容易搞反。

 

2、字节流与字符流

字节流和字符流的用法几乎完成全一样，区别在于字节流和字符流所操作的数据单元不同，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。

为什么要有字符流？

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。

 

而在UTF-8编码中，一个中文字符是3个字节。例如下面图中，“我是真的帅”5个中文对应的是15个字节：-28-70-111-26-73-79-28-72-115-25-97-91-27-92-124 

 

那么问题来了，如果使用字节流处理中文，如果一次读写一个字符对应的字节数就不会有问题，一旦将一个字符对应的字节分裂开来，就会出现乱码了。为了更方便地处理中文这些字符，Java就推出了字符流。

字节流和字符流的其他区别：

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。用一句话说就是：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。

3、节点流和处理流

节点流：直接操作数据读写的流类，比如FileInputStream

处理流：对一个已存在的流的链接和封装，通过对数据进行处理为程序提供功能强大、灵活的读写功能，例如BufferedInputStream（缓冲字节流）

处理流和节点流应用了Java的装饰者设计模式。

下图就很形象地描绘了节点流和处理流，处理流是对节点流的封装，最终的数据处理还是由节点流完成的。

在诸多处理流中，有一个非常重要，那就是缓冲流。

我们知道，程序与磁盘的交互相对于内存运算是很慢的，容易成为程序的性能瓶颈。减少程序与磁盘的交互，是提升程序效率一种有效手段。缓冲流，就应用这种思路：普通流每次读写一个字节，而缓冲流在内存中设置一个缓存区，缓冲区先存储足够的待操作数据后，再与内存或磁盘进行交互。这样，在总数据量不变的情况下，通过提高每次交互的数据量，减少了交互次数。
 

 

联想一下生活中的例子，我们搬砖的时候，一块一块地往车上装肯定是很低效的。我们可以使用一个小推车，先把砖装到小推车上，再把这小推车推到车前，把砖装到车上。这个例子中，小推车可以视为缓冲区，小推车的存在，减少了我们装车次数，从而提高了效率。 

需要注意的是，缓冲流效率一定高吗？不一定，某些情形下，缓冲流效率反而更低，具体请见IO流效率对比。 

 

 

 1.2 案例实操

1、FileInputStream、FileOutputStream（字节流） 

package com.hqyj.io;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;

public class IO {
	public static void main(String[] args) {
		File file = new File("C:\\Users\\HASEE\\Desktop/古诗.txt");
		if (!file.exists()) {
			try {
				file.createNewFile();
			} catch (IOException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
		}
		try {
			OutputStream ops = new FileOutputStream(file);
			
			String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";
//			byte [] date = new byte[1024];
			byte [] date = string.getBytes();
			ops.write(date);
			ops.close();
			
			
		} catch (FileNotFoundException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		} catch (IOException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		
	}
	public void read(){
		File file = new File("C:\\Users\\HASEE\\Desktop/古诗.txt");
		InputStream ips;
		try {
			ips = new FileInputStream(file);
			byte [] dates = new byte[1024];
			
			StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
			
			int len = -1;
			while((len = ips.read(dates)) != -1) {
				
				stringBuffer.append(new String(dates,0,len));

			}
			System.out.println(stringBuffer);
			ips.close();
		} catch (FileNotFoundException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			System.err.println("你输入的文件不在~");
		}catch (IOException e) {
					// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
		
	
		
	}
}

 测试类：

字节流的方式效率较低，不建议使用

package com.hqyj.io;

import java.io.IOException;

public class Test {
	public static void main(String[] args) {
		IO io = new IO();
		long start = System.currentTimeMillis();
		io.read();
		long end = System.currentTimeMillis();
		System.out.println(start - end);

	}


}

 

2、BufferedInputStream、BufferedOutputStream（缓冲字节流） 

缓冲字节流是为高效率而设计的，真正的读写操作还是靠FileOutputStream和FileInputStream，所以其构造方法入参是这两个类的对象也就不奇怪了。

public class IOTest {

	public static void write(File file) throws IOException {
		// 缓冲字节流，提高了效率
		BufferedOutputStream bis = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file, true));

		// 要写入的字符串
		String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";
		// 写入文件
		bis.write(string.getBytes());
		// 关闭流
		bis.close();
	}

	public static String read(File file) throws IOException {
		BufferedInputStream fis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(file));

		// 一次性取多少个字节
		byte[] bytes = new byte[1024];
		// 用来接收读取的字节数组
		StringBuilder sb = new StringBuilder();
		// 读取到的字节数组长度，为-1时表示没有数据
		int length = 0;
		// 循环取数据
		while ((length = fis.read(bytes)) != -1) {
			// 将读取的内容转换成字符串
			sb.append(new String(bytes, 0, length));
		}
		// 关闭流
		fis.close();

		return sb.toString();
	}
}

3、InputStreamReader、OutputStreamWriter（字符流）  

字符流适用于文本文件的读写，OutputStreamWriter类其实也是借助FileOutputStream类实现的，故其构造方法是FileOutputStream的对象 

 

public class IOTest {
	
	public static void write(File file) throws IOException {
		// OutputStreamWriter可以显示指定字符集，否则使用默认字符集
		OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream(file, true), "UTF-8");

		// 要写入的字符串
		String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";
		osw.write(string);
		osw.close();
	}

	public static String read(File file) throws IOException {
		InputStreamReader isr = new InputStreamReader(new FileInputStream(file), "UTF-8");
		// 字符数组：一次读取多少个字符
		char[] chars = new char[1024];
		// 每次读取的字符数组先append到StringBuilder中
		StringBuilder sb = new StringBuilder();
		// 读取到的字符数组长度，为-1时表示没有数据
		int length;
		// 循环取数据
		while ((length = isr.read(chars)) != -1) {
			// 将读取的内容转换成字符串
			sb.append(chars, 0, length);
		}
		// 关闭流
		isr.close();

		return sb.toString()
	}
}

4、BufferedReader、BufferedWriter（字符缓冲流） 

public class IOTest {
	
	public static void write(File file) throws IOException {
		// BufferedWriter fw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(new
		// FileOutputStream(file, true), "UTF-8"));
		// FileWriter可以大幅度简化代码
		BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter(file, true));

		// 要写入的字符串
		String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";
		bw.write(string);
		bw.close();
	}

	public static String read(File file) throws IOException {
		BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader(file));
		// 用来接收读取的字节数组
		StringBuilder sb = new StringBuilder();

		// 按行读数据
		String line;
		// 循环取数据
		while ((line = br.readLine()) != null) {
			// 将读取的内容转换成字符串
			sb.append(line);
		}
		// 关闭流
		br.close();

		return sb.toString();
	}
}

2 NIO

待续…