【流 Stream】数据传输：字节流与字符流详解 文件读写必备基础知识！！！

• ‍♂️ 作者：海码007
• 专栏：C++专栏
• 相关文章：字符编码
• 标题：【流 Stream】数据传输：字节流与字符流详解 文件读写必备基础知识！！！
• ❣️ 寄语：书到用时方恨少，事非经过不知难。
• 最后：文章作者技术和水平有限，如果文中出现错误，希望大家能指正

0 引言

本文介绍一下字节流与字符流的概念以及区别，需要一些预备知识，可以更好的阅读本文。相关前置知识文章链接：预备知识文章链接

1 流 Stream

1.1 定义与作用

在计算机编程中，流（stream） 是一种抽象概念，用于表示数据在程序中的传输和处理方式。流可以看作是数据的通道，通过这个通道，数据可以按照特定的顺序从源头流向目的地。

流主要用于解决数据传输和处理中的一些基本问题，例如：

• 输入和输出：流提供了一种统一的方式来处理输入和输出。程序可以从输入流中读取数据，或将数据写入到输出流中。这使得程序可以与不同的数据源（如文件、网络、设备等）进行交互，而无需关心底层的细节。
• 数据传输：流可以将数据分割成小的数据块（如字节或字符），并按照顺序逐个传输。这种分块传输的方式可以提高效率，特别是当处理大量数据时。
• 缓冲机制：流还可以提供缓冲机制，将数据暂时存储在内存中，以提高读写的效率。通过缓冲，程序可以一次读取或写入多个数据块，减少了与底层数据源的频繁交互，从而提高了性能。

1.2 流的分类

根据流的不同分类标准，可以将流分为以下几类：

• 按照流向分类：
  • 输入流（Input Stream）：从数据源（如文件、键盘、网络等）读取数据的流，程序可以通过输入流来接收外部数据。
  • 输出流（Output Stream）：向目标位置（如文件、屏幕、网络等）写入数据的流，程序可以通过输出流将数据发送到外部。
• 按照传输单位分类：
  • 字节流（Byte Stream）：以字节为单位进行数据传输的流。字节流主要用于处理二进制数据，如图像、音频等。在字节流中，数据被看作是一系列的字节流，可以按照字节的方式进行读取和写入。
  • 字符流（Character Stream）：以字符为单位进行数据传输的流。字符流主要用于处理文本数据，如读写文本文件。在字符流中，数据被视为字符的序列，并根据字符编码将字符转换为字节进行传输。

1.3 字节流与字符流

字节流（Byte Stream）和字符流（Character Stream）是输入流（Input Stream）和输出流（Output Stream）在不同层次上的抽象。它们主要处理不同类型的数据。

1. 字节流
   字节流以字节为单位进行数据传输和处理，适合处理二进制数据，如图像、音频、视频等。字节流将数据视为字节序列，在读取和写入时按照字节的方式进行操作，不对数据进行任何解析或处理。常见的字节流类包括InputStream和OutputStream。

2. 字符流
   字符流以字符为单位进行数据传输和处理，适合处理文本数据，如读写文本文件。字符流将数据视为字符的序列，并根据指定的字符编码将字符转换为字节进行传输。字符流在读取和写入时会自动进行字符编码和解码。常见的字符流类包括Reader和Writer。

总结一下两者的区别：

• 数据类型：字节流处理原始字节数据，而字符流处理字符数据。
• 处理内容：字节流适合处理任意类型的二进制数据，如图像、音频等。字符流适合处理文本数据，如读写文本文件。
• 编码和解码：字节流原封不动地传输数据，不进行编码和解码操作。字符流在传输数据之前会进行字符编码（将字符转换为字节）和解码（将字节转换为字符）。
• 接口方法：字节流提供了一些读取和写入原始字节的方法。字符流提供了一些读取和写入字符的方法，以及一些处理字符数据的辅助方法（如换行符转换）。

总体而言，字节流适用于处理底层的原始数据，而字符流适用于处理更高层次的文本数据。选择使用哪种类型的流取决于所处理数据的类型和需求。

扩展知识

所有文件的储存是都是字节（byte）的储存，在磁盘上保留的并不是文件的字符而是先把字符编码成字节，再储存这些字节到磁盘。在读取文件（特别是文本文件）时，虽然我们看到的是字符文字（这是使用字符编码将二进制数转换成了字符），也是一个字节一个字节地读取以形成字节序列。只不过字符流会会先进行编码和解码操作。

• 如何区分使用字节流还是字符流
• 最简单的方法，就是使用记事本打开文件。在计算机中所有的都是一个文件，假如使用记事本打开，是看的懂的字符，那么就使用字符流传输。如果乱码的话就使用字节流传输。（前提是，使用了正确的字符编码，不然有些事文本文件的，但是没使用对应的字符编码打开也会乱码）

例如：我打开了CompileVer.pri 和 shellbrd.dll 两个文件，不需要关心文件后缀是什么。只要关心打开之后乱不乱码就行。.dll文件就乱码了。（Tips：使用记事本打开任何文件时，右下角会显示当前使用的编码方式）

2 IO编程实践

接下来使用的是QT库实现对数据的IO操作。

预备知识：

• 在Qt中，Unicode编码是默认的字符编码方式，QString类和QChar类都使用Unicode编码来表示字符。
• 可以使用QString的toUtf8()和fromUtf8()方法将文本数据转换为UTF-8编码的字节流进行存储和读取。
• QByteArray类是用于处理原始字节数据的类，它并不对字节数据应用任何特定的编码方式。QByteArray只是简单地存储字节序列，不涉及解码或编码操作。

2.1 字节流的使用

首先添加 QFile 和 QDebug 头文件。

#include 
#include 

1. 新建函数 ReadFileByByteStream 实现通过字节流的方式读取文件

void ReadWriteFile::ReadFileByByteStream()
{
    // 打开文件进行读取
    QFile inputFile("output.bin");
    if (!inputFile.open(QIODevice::ReadOnly)) {
        qDebug() << "无法打开输入文件";
        return;
    }

    // 读取字节流数据
    QByteArray  readData          = inputFile.readAll();
    QString     readData_UTF8     = QString::fromUtf8(readData);    // 将读取的字节流数据以UTF-8编码规则解码为Unicode字符

    qDebug() << "readData = "           << readData;
    qDebug() << "readData_UTF8 = "      << readData_UTF8;

    // 关闭输入文件
    inputFile.close();
}

2. 新建函数 WriteFileByByteStream 实现通过字节流的方式写入文件

void ReadWriteFile::WriteFileByByteStream()
{
    // 打开文件进行写入
    QFile outputFile("output.bin");
    if (!outputFile.open(QIODevice::WriteOnly)) {
        qDebug() << "无法打开输出文件";
        return;
    }

    // 写入字节流数据
    QByteArray data;
    data.append("hello你好");                     // Unicode字符，UTF-8编码
    outputFile.write(data);

    // 关闭输出文件
    outputFile.close();
}

3. 测试功能，先写入数据，再读取数据

ReadWriteFile myIOFile;
myIOFile.WriteFileByByteStream();
myIOFile.ReadFileByByteStream();

4. 输出结果如下：

readData =  "hello\xE4\xBD\xA0\xE5\xA5\xBD"
readData_UTF8 =  "hello你好"

结果分析：

• 结果一：readData = “hello\xE4\xBD\xA0\xE5\xA5\xBD”
  • 可以看到hello是正确显示了，但是 “你好” 字符串（以UTF-8编码）缺没有正常显示，是因为 QByteArray 是没有编码解码这种操作的。所以，存储了什么数据就直接输出了什么数据。但是你可以会疑惑，明明我写入的时候是 "hello你好"字符串，为什么变成这种形式。
  • 要弄清楚，现在我们测试的是字节流输入输出，是不涉及字符编码解码操作的。所以在将 “hello你好” 数据添加给 QByteArray 时，就已经是存储的字节数据。QByteArray 中存储的就是 “hello\xE4\xBD\xA0\xE5\xA5\xBD” 数据。这一步其实是QT底层帮我们进行的编码操作，将字符串解析成二进制数。“\xE4\xBD\xA0\xE5\xA5\xBD” 字符其实就是 “你好” 以UTF-8编码下的表示。
    

• 结果二：readData_UTF8 = “hello你好”
  • 为什么结果二正确显示了，因为我们使用了QString::fromUtf8()函数将 QByteArray 存储的原始数据进行UTF-8规则的解码。所以就可以正常显示中文了。（注意假如解码的规则和编码规则不同，也是会乱码的）
    

小结

Tips：编码是将字符转换为二进制形式的过程，而解码则是将二进制形式的字符转换为可读的字符。

使用字节流输入输出操作，不会对数据进行解码与编码。上面的测试程序，之所以能够正常显示出来，是因为我们对数据进行了解码，才正确显示输出。假如不进行解码直接输出的就是原始数据。

2.2 字符流的使用

同样添加 QFile 和 QDebug 头文件。

#include 
#include 

1. 新建函数 ReadFileByCharacterStream 实现通过字符流的方式读取文件

void ReadWriteFile::ReadFileByCharacterStream()
{
    // 打开文件进行读取
    QFile inputFile("output.txt");
    if (!inputFile.open(QIODevice::ReadOnly | QIODevice::Text)) {
        qDebug() << "无法打开输入文件";
        return;
    }

    // 创建QTextStream对象，并与输入文件关联
    QTextStream inputStream(&inputFile);

    // 读取字符流数据
    QString readData = inputStream.readAll();
    qDebug() << "readData = " << readData;

    // 关闭输入文件
    inputFile.close();
}

2. 新建函数 WriteFileByCharacterStream 实现通过字符流的方式写入文件

void ReadWriteFile::WriteFileByCharacterStream()
{
    // 打开文件进行写入
    QFile outputFile("output.txt");
    if (!outputFile.open(QIODevice::WriteOnly | QIODevice::Text)) {
        qDebug() << "无法打开输出文件";
        return;
    }

    // 创建QTextStream对象，并与输出文件关联
    QTextStream outputStream(&outputFile);

    // 写入字符流数据
    outputStream << "Hello, World!";

    // 关闭输出文件
    outputFile.close();
}

2.3 总结

• 所有文件的存储都是字节(byte)的存储，在磁盘上保留的是字节。
• 所有文件都能使用字节流的方式读取，而字符流主要处理文本数据。