Java IO完全总结
1.InputStream是所有的输入字节流的父类，它是一个抽象类。
2. ByteArrayInputStream、StringBufferInputStream、FileInputStream是三种基本的介质流，它们分别将Byte数组、StringBuffer、和本地文件中读取数据。PipedInputStream是从与其它线程共用的管道中读取数据，与Piped相关的知识会用专门的一小节讲解。
3. ObjectInputStream和所有FilterInputStream的子类都是装饰流（装饰器模式的主角）。下表列出了这些流的功能及如何使用它们（具体使用在讲解完装饰器模式后会举几个例子）。
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类
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功能
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如何构造
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怎样使用
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ByteArrayInputStream
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将内存中的Byte数组适配为一个InputStream。 | 从内存中的Byte数组创建该对象（2种方法） |
| 一般作为数据源，会使用其它装饰流提供额外的功能，一般都建议加个缓冲功能。 | ||
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StringBufferInputStream
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将内存中的字符串适配为一个InputStream。 | 从一个String对象创建该对象。底层的实现使用StringBuffer。该类被Deprecated。主要原因是StringBuffer不应该属于字节流，所以推荐使用StringReader。 |
| 一般作为数据源，同样会使用其它装饰器提供额外的功能。 | ||
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FileInputStream
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最基本的文件输入流。主要用于从文件中读取信息。 | 通过一个代表文件路径的 String、File对象或者 FileDescriptor对象创建。 |
| 一般作为数据源，同样会使用其它装饰器提供额外的功能。 | ||
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PipedInputStream
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读取从对应PipedOutputStream写入的数据。在流中实现了管道的概念。 | 利用对应的PipedOutputStream创建。 |
| 在多线程程序中作为数据源，同样会使用其它装饰器提供额外的功能。 | ||
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SequenceInputStream
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将2个或者多个InputStream 对象转变为一个InputStream. | 使用两个InputStream 或者内部对象为InputStream 的Enumeration对象创建该对象。 |
| 一般作为数据源，同样会使用其它装饰器提供额外的功能。 | ||
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FilterInputStream
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给其它被装饰对象提供额外功能的抽象类 | 主要子类见下表 |
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类
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功能
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如何构造
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怎样使用
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DataInputStream
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一般和DataOutputStream配对使用,完成基本数据类型的读写。 | 利用一个InputStream构造。 |
| 提供了大量的读取基本数据类新的读取方法。 | ||
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BufferedInputStream
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使用该对象阻止每次读取一个字节都会频繁操作IO。将字节读取一个缓存区，从缓存区读取。 | 利用一个InputStream、或者带上一个自定义的缓存区的大小构造。 |
| 使用InputStream的方法读取，只是背后多一个缓存的功能。设计模式中透明装饰器的应用。 | ||
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LineNumberInputStream
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跟踪输入流中的行号。可以调用getLineNumber( )和 setLineNumber(int)方法得到和设置行号。 | 利用一个InputStream构造。 |
| 紧紧增加一个行号。可以象使用其它InputStream一样使用。 | ||
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PushbackInputStream
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可以在读取最后一个byte 后将其放回到缓存中。 | 利用一个InputStream构造。 |
| 一般仅仅会在设计compiler的scanner 时会用到这个类。在我们的java语言的编译器中使用它。很多程序员可能一辈子都不需要。 |
- OutputStream
- ByteArrayOutputStream
- FileOutputStream
- FilterOutputStream
- BufferedOutputStream
- DataOutputStream
- PrintStream
- ObjectOutputStream
- PipedOutputStream
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类
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功能
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如何构造
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怎样使用
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ByteArrayOutputStream
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在内存中创建一个buffer。所有写入此流中的数据都被放入到此buffer中。 | 无参或者使用一个可选的初始化buffer的大小的参数构造。 |
| 一般将其和FilterOutputStream套接得到额外的功能。建议首先和BufferedOutputStream套接实现缓冲功能。通过toByteArray方法可以得到流中的数据。（不通明装饰器的用法） | ||
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FileOutputStream
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将信息写入文件中。 | 使用代表文件路径的String、File对象或者 FileDescriptor对象创建。还可以加一个代表写入的方式是否为append的标记。 |
| 一般将其和FilterOutputStream套接得到额外的功能。 | ||
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PipedOutputStream
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任何写入此对象的信息都被放入对应PipedInputStream 对象的缓存中，从而完成线程的通信，实现了“管道”的概念。具体在后面详细讲解。 | 利用PipedInputStream构造 |
| 在多线程程序中数据的目的地的。一般将其和FilterOutputStream套接得到额外的功能。 | ||
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FilterOutputStream
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实现装饰器功能的抽象类。为其它OutputStream对象增加额外的功能。 | 见下表 |
| 见下表 |
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类
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功能
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如何构造
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怎样使用
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DataOutputStream
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通常和DataInputStream配合使用，使用它可以写入基本数据类新。 | 使用OutputStream构造 |
| 包含大量的写入基本数据类型的方法。 | ||
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PrintStream
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产生具有格式的输出信息。（一般地在java程序中DataOutputStream用于数据的存储，即J2EE中持久层完成的功能，PrintStream完成显示的功能，类似于J2EE中表现层的功能） | 使用OutputStream和一个可选的表示缓存是否在每次换行时是否flush的标记构造。还提供很多和文件相关的构造方法。 |
| 一般是一个终极（“final”）的包装器，很多时候我们都使用它！ | ||
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BufferedOutputStream
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使用它可以避免频繁地向IO写入数据，数据一般都写入一个缓存区，在调用flush方法后会清空缓存、一次完成数据的写入。 | 从一个OutputStream或者和一个代表缓存区大小的可选参数构造。 |
| 提供和其它OutputStream一致的接口，只是内部提供一个缓存的功能。 |
3.4 字节流与字符流
从上面我们可以看出IO中的字节流是极其复杂的，存在大量的类，到目前为止还没有真正使用它们，使用它们应该也是极其复杂的吧！JDK1.1后Sun对IO库进行了重大的改进。看到Reader和Writer类时，大多数人的第一个感觉（不要太相信感觉哦！感觉也许会欺骗你的！）就是它们是用来替换原来的InputStream和OutputStream类。有新的类，干吗还使用旧的呢！？但实情并非如此。尽管Sun不建议使用原始的流库中的某些功能，但原来的流依然得到了保留，不仅为了保持向后兼容，主要原因是新库不是旧库的替代，而是对旧库的增强。从以下两点可以明显地看出：
(1) 在老式的类层次结构里加入了新的类，这表明 Sun公司没有放弃老式流库的意图。
(2) 在许多情况下，新库中类的使用需要联合老结构中的类。为达到这个目的，需要使用一些“桥”类，如：InputStreamReader将一个InputStream转换成Reader；OutputStreamWriter将一个OutputStream转换成Writer。
那么Sun为什么在Java 1.1里添加了Reader和Writer层次，最重要的原因便是国际化（Internationalization――i18n）的需求。老式IO流层次结构只支持8位字节流，不能很好地控制16位的Unicode字符。Java本身支持Unicode，Sun又一致吹嘘其支持Unicode，因此有必要实现一个支持Unicode的流的层次结构，所以出现了Reader和Writer层次，以提供对所有IO操作中的Unicode的支持。除此之外，新库也对速度进行了优化，可比旧库更快地运行。
8位的字节流和16位的字符流的对应关系，可以从ByteInputStream/ByteOutputStream与CharArrayInputStream/CharArrayOutputStream的对应关系中看出端倪。（还没看出来啊！赶紧去看看Java的基本数据类型）。
因此在Java的IO体系中存在字节流和字符流的对应关系。下面就看看字符流吧！
3.5 IO中的输入字符流
下面是IO中输入字符流的继承图。
- Reader
- BufferedReader
- LineNumberReader
- CharArrayReader
- FilterReader
- PushbackReader
- InputStreamReader
- FileReader
- PipedReader
- StringReader
在上面的关系图中可以看出：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。
3.6 IO中的输出字符流
下面是IO中输出字符流的继承图。
- Writer
- BufferedWriter
- CharArrayWriter
- FilterWriter
- OutputStreamWriter
- FileWriter
- PipedWriter
- PrintWriter
- StringWriter
在上面的关系图中可以看出：1.Writer是所有的输出字符流的父类，它是一个抽象类。2. CharArrayWriter、StringWriter是两种基本的介质流，它们分别向Char数组、String中写入数据。PipedWriter是向与其它线程共用的管道中写入数据， 3. BufferedWriter是一个装饰器为Writer提供缓冲功能。4.PrintWriter和PrintStream极其类似，功能和使用也非常相似。5.OutputStreamWriter是OutputStream到Writer转换的桥梁，它的子类FileWriter其实就是一个实现此功能的具体类（具体可以研究一下Source Code）。功能和使用和OutputStream极其类似，后面会有它们的对应图。
3.7字符流的输入与输出的对应
下图为字符流的输入与输出的对应关系图：
对应关系和字节流的输入输出基本一致，不必多说了吧！在下面的源代码阅读部分会仔细研究一些！
3.8字节流和字符流的对应
Java的IO中存在输入、输出的对应和字节流和字符流的对应，下面就看看字节流和字符流的对应吧！
3.8.1输入的对应
下图是IO中字节输入流与字符输入流的对应图：
蓝色的表示对应的部分，红色的表示不对应的部分。至于为什么不对应还是你自己多看看源代码、多考虑考虑吧！还要强调一点就是即使对应，它们的继承关系也是不太对应的。
3.8.2输出的对应
下图是IO中字节输出流与字符输出流的对应图：
不多说了！等讲述了Adapter和Decorator模式会基本明白IO架构的！通过几个实例一般就可以使用了！
从InputStream到ByteArrayInputStream
江苏 无锡 缪小东
本篇主要分析：1.如何将byte数组适配至ByteArrayInputStream，对应与IO部分的适配器模式；2.BufferedInputStream的工作原理，对应于IO的装饰器模式，会首先研究InputStream和FilterInputStream的源代码，同时会将要谈谈软件设计中的缓存相关的知识。后面专门一章分析PipedInputStream和PipedOutStream，简单谈谈管道相关的知识，以及软件架构的想法。
1 InputStream
InputStream 是输入字节流部分，装饰器模式的顶层类。主要规定了输入字节流的公共方法。
package java.io;
public abstract class InputStream implements Closeable {
private static final int SKIP_BUFFER_SIZE = 2048; //用于skip方法，和skipBuffer相关
private static byte[] skipBuffer; // skipBuffer is initialized in skip(long), if needed.
public abstract int read() throws IOException; //从输入流中读取下一个字节，
//正常返回0-255，到达文件的末尾返回-1
//在流中还有数据，但是没有读到时该方法会阻塞（block）
//Java IO和New IO的区别就是阻塞流和非阻塞流
//抽象方法哦！不同的子类不同的实现哦！
//将流中的数据读入放在byte数组的第off个位置先后的len个位置中
//放回值为放入字节的个数。
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException { //
if (b == null) {
throw new NullPointerException();
} else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {
throw new IndexOutOfBoundsException();
} else if (len == 0) {
return 0;
} //检查输入是否正常。一般情况下，检查输入是方法设计的第一步
int c = read(); //读取下一个字节
if (c == -1) { return -1; } //到达文件的末端返回-1
b[off] = (byte)c; //放回的字节downcast
int i = 1; //已经读取了一个字节
try {
for (; i < len ; i++) { //最多读取len个字节，所以要循环len次
c = read(); //每次循环从流中读取一个字节
//由于read方法阻塞，
//所以read(byte[],int,int)也会阻塞
if (c == -1) { break; } //到达末尾，理所当然放回-1
b[off + i] = (byte)c; //读到就放入byte数组中
}
} catch (IOException ee) { }
return i;
//上面这个部分其实还有一点比较重要，int i = 1;在循环的外围，或许你经常见到，
//或许你只会在循环是才声明，为什么呢？
//声明在外面，增大了变量的生存周期（在循环外面），所以后面可以return返回
//极其一般的想法。在类成员变量生命周期中使用同样的理念。
//在软件设计中，类和类的关系中也是一样的。
} //这个方法在利用抽象方法read，某种意义上简单的Templete模式。
public int read(byte b[]) throws IOException {
return read(b, 0, b.length);
} //利用上面的方法read(byte[] b)
public long skip(long n) throws IOException {
long remaining = n; //方法内部使用的、表示要跳过的字节数目，
//使用它完成一系列字节读取的循环
int nr;
if (skipBuffer == null)
skipBuffer = new byte[SKIP_BUFFER_SIZE]; //初始化一个跳转的缓存
byte[] localSkipBuffer = skipBuffer; //本地化的跳转缓存
if (n <= 0) { return 0; } //检查输入参数，应该放在方法的开始
while (remaining > 0) { //一共要跳过n个，每次跳过部分，循环
nr = read(localSkipBuffer, 0, (int) Math.min(SKIP_BUFFER_SIZE, remaining));
//利用上面的read(byte[],int,int)方法尽量读取n个字节
if (nr < 0) { break; } //读到流的末端，则返回
remaining -= nr; //没有完全读到需要的，则继续循环
}
return n - remaining;//返回时要么全部读完，要么因为到达文件末端，读取了部分
}
public int available() throws IOException { //查询流中还有多少可以读取的字节
return 0;
}
//该方法不会block。在java中抽象类方法的实现一般有以下几种方式：
//1.抛出异常（java.util）；2.“弱”实现。象上面这种。子类在必要的时候覆盖它。
//3.“空”实现。下面有例子。
public void close() throws IOException {}
//关闭当前流、同时释放与此流相关的资源
public synchronized void mark(int readlimit) {}
//在当前位置对流进行标记，必要的时候可以使用reset方法返回。
//markSupport可以查询当前流是否支持mark
public synchronized void reset() throws IOException {
throw new IOException("mark/reset not supported");
}
//对mark过的流进行复位。只有当流支持mark时才可以使用此方法。
//看看mark、available和reset方法。体会为什么？！
public boolean markSupported() { //查询是否支持mark
return false;
} //绝大部分不支持，因此提供默认实现，返回false。子类有需要可以覆盖。
}
2 FilterInputStream
这是字节输入流部分装饰器模式的核心。是我们在装饰器模式中的Decorator对象，主要完成对其它流装饰的基本功能。下面是它的源代码:
package java.io;
//该类对被装饰的流进行基本的包裹。不增加额外的功能。
//客户在需要的时候可以覆盖相应的方法。具体覆盖可以在ByteInputStream中看到！
public class FilterInputStream extends InputStream {
protected volatile InputStream in; //将要被装饰的字节输入流
protected FilterInputStream(InputStream in) { //通过构造方法传入此被装饰的流
this.in = in;
}
//装饰器的代码特征：被装饰的对象一般是装饰器的成员变量
//上面几行可以看出。
//下面这些方法，完成最小的装饰――0装饰，只是调用被装饰流的方法而已
public int read() throws IOException {
return in.read();
}
public int read(byte b[]) throws IOException {
return read(b, 0, b.length);
}
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
return in.read(b, off, len);
}
public long skip(long n) throws IOException {
return in.skip(n);
}
public int available() throws IOException {
return in.available();
}
public void close() throws IOException {
in.close();
}
public synchronized void mark(int readlimit) {
in.mark(readlimit);
}
public synchronized void reset() throws IOException {
in.reset();
}
public boolean markSupported() {
return in.markSupported();
}
//以上的方法，都是通过调用被装饰对象in完成的。没有添加任何额外功能
//装饰器模式中的Decorator对象，不增加被装饰对象的功能。
//它是装饰器模式中的核心。更多关于装饰器模式的理论请阅读博客中的文章。
}
以上分析了所有字节输入流的公共父类InputStream和装饰器类FilterInputStream类。他们是装饰器模式中两个重要的类。更多细节请阅读博客中装饰器模式的文章。下面将讲解一个具体的流ByteArrayInputStream，不过它是采用适配器设计模式。
3 ByteArray到ByteArrayInputStream的适配
// ByteArrayInputStream内部有一个byte类型的buffer。
//很典型的适配器模式的应用――将byte数组适配流的接口。
//下面是源代码分析：
package java.io;
public class ByteArrayInputStream extends InputStream {
protected byte buf[]; //内部的buffer，一般通过构造器输入
protected int pos; //当前位置的cursor。从0至byte数组的长度。
//byte[pos]就是read方法读取的字节
protected int mark = 0; //mark的位置。
protected int count; //流中字节的数目。不一定与byte[]的长度一致？？？
public ByteArrayInputStream(byte buf[]) {//从一个byte[]创建一个ByteArrayInputStream
this.buf = buf; //初始化流中的各个成员变量
this.pos = 0;
this.count = buf.length; //count就等于buf.length
}
public ByteArrayInputStream(byte buf[], int offset, int length) { //构造器
this.buf = buf;
this.pos = offset; //与上面不同
this.count = Math.min(offset + length, buf.length);
this.mark = offset; //与上面不同
}
public synchronized int read() { //从流中读取下一个字节
return (pos < count) ? (buf[pos++] & 0xff) : -1; //返回下一个位置的字节
//流中没有数据则返回-1
}
//下面这个方法很有意思！从InputStream中可以看出其提供了该方法的实现。
//为什么ByteArrayInputStream要覆盖此方法呢？
//同样的我们在Java Collections Framework中可以看到：
//AbstractCollection利用iterator实现了Collecion接口的很多方法。但是，
//在ArrayList中却有很多被子类覆盖了。为什么如此呢？？
public synchronized int read(byte b[], int off, int len) {
if (b == null) { //首先检查输入参数的状态是否正确
throw new NullPointerException();
} else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {
throw new IndexOutOfBoundsException();
}
if (pos >= count) { return -1; }
if (pos + len > count) { len = count - pos; }
if (len <= 0) { return 0; }
System.arraycopy(buf, pos, b, off, len); //java中提供数据复制的方法
pos += len;
return len;
}
//出于速度的原因！他们都用到System.arraycopy方法。想想为什么？
//某些时候，父类不能完全实现子类的功能，父类的实现一般比较通用。
//当子类有更有效的方法时，我们会覆盖这些方法。这样可是不太OO的哦！
//下面这个方法，在InputStream中也已经实现了。
//但是当时是通过将字节读入一个buffer中实现的，好像效率低了一点。
//看看下面这段代码，是否极其简单呢？！
public synchronized long skip(long n) {
if (pos + n > count) { n = count - pos; } //当前位置，可以跳跃的字节数目
if (n < 0) { return 0; } //小于0，则不可以跳跃
pos += n; //跳跃后，当前位置变化
return n;
} //比InputStream中的方法简单、高效吧！
public synchronized int available() {
return count - pos;
}
//查询流中还有多少字节没有读取。
//在我们的ByteArrayInputStream中就是当前位置以后字节的数目。
public boolean markSupported() {
return true;
} //ByteArrayInputStream支持mark所以返回true
public void mark(int readAheadLimit) {
mark = pos;
}
//在流中当前位置mark。
//在我们的ByteArrayInputStream中就是将当前位置赋给mark变量。
//读取流中的字节就是读取字节数组中当前位置向后的的字节。
public synchronized void reset() {
pos = mark;
}
//重置流。即回到mark的位置。
public void close() throws IOException { }
//关闭ByteArrayInputStream不会产生任何动作。为什么？仔细考虑吧！！
}
上面我们分3小节讲了装饰器模式中的公共父类（对应于输入字节流的InputStream）、Decorator（对应于输入字节流的FilterInputStream）和基本被装饰对象（对应于输入字节流的媒体字节流）。下面我们就要讲述装饰器模式中的具体的包装器（对应于输入字节流的包装器流）。
4 BufferedInputStream
4.1原理及其在软件硬件中的应用
1.read――read(byte[] ,int , int)
2.BufferedInputStream
3.《由一个简单的程序谈起》
4. Cache
5.Pool
6.Spling Printer
（最近比较忙，不讲了！）
4.2 BufferedInputStream源代码分析
package java.io;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
//该类主要完成对被包装流，加上一个缓存的功能
public class BufferedInputStream extends FilterInputStream {
private static int defaultBufferSize = 8192; //默认缓存的大小
protected volatile byte buf[]; //内部的缓存
protected int count; //buffer的大小
protected int pos; //buffer中cursor的位置
protected int markpos = -1; //mark的位置
protected int marklimit; //mark的范围
//原子性更新。和一致性编程相关
private static final
AtomicReferenceFieldUpdater<BufferedInputStream, byte[]> bufUpdater =
AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater (BufferedInputStream.class, byte[].class, "buf");
private InputStream getInIfOpen() throws IOException { //检查输入流是否关闭，同时返回被包装流
InputStream input = in;
if (input == null) throw new IOException("Stream closed");
return input;
}
private byte[] getBufIfOpen() throws IOException { //检查buffer的状态，同时返回缓存
byte[] buffer = buf;
if (buffer == null) throw new IOException("Stream closed"); //不太可能发生的状态
return buffer;
}
public BufferedInputStream(InputStream in) { //构造器
this(in, defaultBufferSize); //指定默认长度的buffer
}
public BufferedInputStream(InputStream in, int size) { //构造器
super(in);
if (size <= 0) { //检查输入参数
throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");
}
buf = new byte[size]; //创建指定长度的buffer
}
//从流中读取数据，填充如缓存中。
private void fill() throws IOException {
byte[] buffer = getBufIfOpen(); //得到buffer
if (markpos < 0)
pos = 0; //mark位置小于0，此时pos为0
else if (pos >= buffer.length) //pos大于buffer的长度
if (markpos > 0) {
int sz = pos - markpos; //
System.arraycopy(buffer, markpos, buffer, 0, sz);
pos = sz;
markpos = 0;
} else if (buffer.length >= marklimit) { //buffer的长度大于marklimit时，mark失效
markpos = -1; //
pos = 0; //丢弃buffer中的内容
} else { //buffer的长度小于marklimit时对buffer扩容
int nsz = pos * 2;
if (nsz > marklimit) nsz = marklimit;//扩容为原来的2倍，太大则为marklimit大小
byte nbuf[] = new byte[nsz];
System.arraycopy(buffer, 0, nbuf, 0, pos); //将buffer中的字节拷贝如扩容后的buf中
if (!bufUpdater.compareAndSet(this, buffer, nbuf)) {
//在buffer在被操作时，不能取代此buffer
throw new IOException("Stream closed");
}
buffer = nbuf; //将新buf赋值给buffer
}
count = pos;
int n = getInIfOpen().read(buffer, pos, buffer.length - pos);
if (n > 0) count = n + pos;
}
public synchronized int read() throws IOException { //读取下一个字节
if (pos >= count) { //到达buffer的末端
fill(); //就从流中读取数据，填充buffer
if (pos >= count) return -1; //读过一次，没有数据则返回-1
}
return getBufIfOpen()[pos++] & 0xff; //返回buffer中下一个位置的字节
}
private int read1(byte[] b, int off, int len) throws IOException { //将数据从流中读入buffer中
int avail = count - pos; //buffer中还剩的可读字符
if (avail <= 0) { //buffer中没有可以读取的数据时
if (len >= getBufIfOpen().length && markpos < 0) { //将输入流中的字节读入b中
return getInIfOpen().read(b, off, len);
}
fill(); //填充
avail = count - pos;
if (avail <= 0) return -1;
}
int cnt = (avail < len) ? avail : len; //从流中读取后，检查可以读取的数目
System.arraycopy(getBufIfOpen(), pos, b, off, cnt); //将当前buffer中的字节放入b的末端
pos += cnt;
return cnt;
}
public synchronized int read(byte b[], int off, int len)throws IOException {
getBufIfOpen(); // 检查buffer是否open
if ((off | len | (off + len) | (b.length - (off + len))) < 0) { //检查输入参数是否正确
throw new IndexOutOfBoundsException();
} else if (len == 0) {
return 0;
}
int n = 0;
for (;;) {
int nread = read1(b, off + n, len - n);
if (nread <= 0) return (n == 0) ? nread : n;
n += nread;
if (n >= len) return n;
// if not closed but no bytes available, return
InputStream input = in;
if (input != null && input.available() <= 0) return n;
}
}
public synchronized long skip(long n) throws IOException {
getBufIfOpen(); // 检查buffer是否关闭
if (n <= 0) { return 0; } //检查输入参数是否正确
long avail = count - pos; //buffered中可以读取字节的数目
if (avail <= 0) { //可以读取的小于0，则从流中读取
if (markpos <0) return getInIfOpen().skip(n); //mark小于0，则mark在流中
fill(); // 从流中读取数据，填充缓冲区。
avail = count - pos; //可以读的取字节为buffer的容量减当前位置
if (avail <= 0) return 0;
}
long skipped = (avail < n) ? avail : n;
pos += skipped; //当前位置改变
return skipped;
}
public synchronized int available() throws IOException {
return getInIfOpen().available() + (count - pos);
}
//该方法不会block！返回流中可以读取的字节的数目。
//该方法的返回值为缓存中的可读字节数目加流中可读字节数目的和
public synchronized void mark(int readlimit) { //当前位置处为mark位置
marklimit = readlimit;
markpos = pos;
}
public synchronized void reset() throws IOException {
getBufIfOpen(); // 缓冲去关闭了，肯定就抛出异常！程序设计中经常的手段
if (markpos < 0) throw new IOException("Resetting to invalid mark");
pos = markpos;
}
public boolean markSupported() { //该流和ByteArrayInputStream一样都支持mark
return true;
}
//关闭当前流同时释放相应的系统资源。
public void close() throws IOException {
byte[] buffer;
while ( (buffer = buf) != null) {
if (bufUpdater.compareAndSet(this, buffer, null)) {
InputStream input = in;
in = null;
if (input != null) input.close();
return;
}
// Else retry in case a new buf was CASed in fill()
}
}
}
从PipedInputStream/PipedOutputStream谈起
江苏 无锡 缪小东
本篇主要从分析PipeInputStrem和PipedOutputStream谈起。谈及软件设计的变化，以及如何将软件拆分、组合，适配……
1 源代码分析
下面将详细分析PipedInputStream和PipedOutputStream的源代码。
1.1 PipedInputStream
package java.io;
//PipedInputStream必须和PipedOutputStream联合使用。即必须连接输入部分。
//其原理为：PipedInputStream内部有一个Buffer，
//PipedInputStream可以使用InputStream的方法读取其Buffer中的字节。
//PipedInputStream中Buffer中的字节是PipedOutputStream调用PipedInputStream的方法放入的。
public class PipedInputStream extends InputStream {
boolean closedByWriter = false; //标识有读取方或写入方关闭
volatile boolean closedByReader = false;
boolean connected = false; //是否建立连接
Thread readSide; //标识哪个线程
Thread writeSide;
protected static final int PIPE_SIZE = 1024; //缓冲区的默认大小
protected byte buffer[] = new byte[PIPE_SIZE]; //缓冲区
protected int in = -1; //下一个写入字节的位置。0代表空，in==out代表满
protected int out = 0; //下一个读取字节的位置
public PipedInputStream(PipedOutputStream src) throws IOException { //给定源的输入流
connect(src);
}
public PipedInputStream() { } //默认构造器，下部一定要connect源
public void connect(PipedOutputStream src) throws IOException { //连接输入源
src.connect(this); //调用源的connect方法连接当前对象
}
protected synchronized void receive(int b) throws IOException { //只被PipedOuputStream调用
checkStateForReceive(); //检查状态，写入
writeSide = Thread.currentThread(); //永远是PipedOuputStream
if (in == out) awaitSpace(); //输入和输出相等，等待空间
if (in < 0) {
in = 0;
out = 0;
}
buffer[in++] = (byte)(b & 0xFF); //放入buffer相应的位置
if (in >= buffer.length) { in = 0; } //in为0表示buffer已空
}
synchronized void receive(byte b[], int off, int len) throws IOException {
checkStateForReceive();
writeSide = Thread.currentThread(); //从PipedOutputStream可以看出
int bytesToTransfer = len;
while (bytesToTransfer > 0) {
if (in == out) awaitSpace(); //满了，会通知读取的；空会通知写入
int nextTransferAmount = 0;
if (out < in) {
nextTransferAmount = buffer.length - in;
} else if (in < out) {
if (in == -1) {
in = out = 0;
nextTransferAmount = buffer.length - in;
} else {
nextTransferAmount = out - in;
}
}
if (nextTransferAmount > bytesToTransfer) nextTransferAmount = bytesToTransfer;
assert(nextTransferAmount > 0);
System.arraycopy(b, off, buffer, in, nextTransferAmount);
bytesToTransfer -= nextTransferAmount;
off += nextTransferAmount;
in += nextTransferAmount;
if (in >= buffer.length) { in = 0; }
}
}
private void checkStateForReceive() throws IOException { //检查当前状态，等待输入
if (!connected) {
throw new IOException("Pipe not connected");
} else if (closedByWriter || closedByReader) {
throw new IOException("Pipe closed");
} else if (readSide != null && !readSide.isAlive()) {
throw new IOException("Read end dead");
}
}
private void awaitSpace() throws IOException { //Buffer已满，等待一段时间
while (in == out) { //in==out表示满了，没有空间
checkStateForReceive(); //检查接受端的状态
notifyAll(); //通知读取端
try {
wait(1000);
} catch (InterruptedException ex) {
throw new java.io.InterruptedIOException();
}
}
}
synchronized void receivedLast() { //通知所有等待的线程（）已经接受到最后的字节
closedByWriter = true; //
notifyAll();
}
public synchronized int read() throws IOException {
if (!connected) { //检查一些内部状态
throw new IOException("Pipe not connected");
} else if (closedByReader) {
throw new IOException("Pipe closed");
} else if (writeSide != null && !writeSide.isAlive()&& !closedByWriter && (in < 0)) {
throw new IOException("Write end dead");
}
readSide = Thread.currentThread(); //当前线程读取
int trials = 2; //重复两次？？？？
while (in < 0) {
if (closedByWriter) { return -1; } //输入断关闭返回-1
if ((writeSide != null) && (!writeSide.isAlive()) && (--trials < 0)) { //状态错误
throw new IOException("Pipe broken");
}
notifyAll(); // 空了，通知写入端可以写入
try {
wait(1000);
} catch (InterruptedException ex) {
throw new java.io.InterruptedIOException();
}
}
int ret = buffer[out++] & 0xFF; //
if (out >= buffer.length) { out = 0; }
if (in == out) { in = -1; } //没有任何字节
return ret;
}
public synchronized int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
if (b == null) { //检查输入参数的正确性
throw new NullPointerException();
} else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {
throw new IndexOutOfBoundsException();
} else if (len == 0) {
return 0;
}
int c = read(); //读取下一个
if (c < 0) { return -1; } //已经到达末尾了，返回-1
b[off] = (byte) c; //放入外部buffer中
int rlen = 1; //return-len
while ((in >= 0) && (--len > 0)) { //下一个in存在，且没有到达len
b[off + rlen] = buffer[out++]; //依次放入外部buffer
rlen++;
if (out >= buffer.length) { out = 0; } //读到buffer的末尾，返回头部
if (in == out) { in = -1; } //读、写位置一致时，表示没有数据
}
return rlen; //返回填充的长度
}
public synchronized int available() throws IOException { //返回还有多少字节可以读取
if(in < 0)
return 0; //到达末端，没有字节
else if(in == out)
return buffer.length; //写入的和读出的一致，表示满
else if (in > out)
return in - out; //写入的大于读出
else
return in + buffer.length - out; //写入的小于读出的
}
public void close() throws IOException { //关闭当前流，同时释放与其相关的资源
closedByReader = true; //表示由输入流关闭
synchronized (this) { in = -1; } //同步化当前对象，in为-1
}
}
1.2 PipedOutputStream
// PipedOutputStream一般必须和一个PipedInputStream连接。共同构成一个pipe。
//它们的职能是：
package java.io;
import java.io.*;
public class PipedOutputStream extends OutputStream {
private PipedInputStream sink; //包含一个PipedInputStream
public PipedOutputStream(PipedInputStream snk)throws IOException { //带有目的地的构造器
connect(snk);
}
public PipedOutputStream() { } //默认构造器，必须使用下面的connect方法连接
public synchronized void connect(PipedInputStream snk) throws IOException {
if (snk == null) { //检查输入参数的正确性
throw new NullPointerException();
} else if (sink != null || snk.connected) {
throw new IOException("Already connected");
}
sink = snk; //一系列初始化工作
snk.in = -1;
snk.out = 0;
snk.connected = true;
}
public void write(int b) throws IOException { //向流中写入数据
if (sink == null) { throw new IOException("Pipe not connected"); }
sink.receive(b); //本质上是，调用PipedInputStream的receive方法接受此字节
}
public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {
if (sink == null) { //首先检查输入参数的正确性
throw new IOException("Pipe not connected");
} else if (b == null) {
throw new NullPointerException();
} else if ((off < 0) || (off > b.length) || (len < 0) || ((off + len) > b.length) || ((off + len) < 0)) {
throw new IndexOutOfBoundsException();
} else if (len == 0) {
return;
}
sink.receive(b, off, len); //调用PipedInputStream的receive方法接受
}
public synchronized void flush() throws IOException { //flush输出流
if (sink != null) {
synchronized (sink) { sink.notifyAll(); } //本质是通知输入流，可以读取
}
}
public void close() throws IOException { //关闭流同时释放相关资源
if (sink != null) { sink.receivedLast(); }
}
}
2 Buffer的状态
上图是PipedInputStream中缓存的状态图。在程序中我们利用了byte数组，循环地向其中写入数据，写入有一个cursor（in），读出也有一个cursor（out）。上图表示in和out不同位置时，buffer中的各个位置的状态。蓝色的代表可以读取的字节。白色的表示此位置没有字节，或者此位置已经被PipedInputStream读取了。
3 交互简图
下图是从源代码部分转换过来的关于PipedInputStream和PipedOutputStream的交互图。
从图中可以看出：
1. 整个PipedInputStream是这对管道的核心。管道本身是一个byte的数组。
2. PipedOutputStream对象通过Delegate方法复用PipedInputStream，同时屏蔽了其中的读取的方法，我们仅仅可以构造PipedOutputStream对象。（从这一点可以看出Delegate复用比继承复用的优越性了！）从设计模式的角度更象Adapter――PipedInputStream本身提供读取和写入的功能，将写入的功能适配到OutputStream，就成为一个PipedOutputStream。这样就形成一个类，适配后形成两种功能的类。
3. 调用PipedOutputStream的连接方法实际就是调用PipedInputStream的连接方法。
4. 调用PipedOutputStream的写相关的方法实际就是调用PipedInputStream的对应方法。
以上也是一种适配，将管道的概念适配到流的概念，同时将两者的职能分开。
4 将Chanel放入PipedOutputStream
上面的例子中，Chanel放在PipedInputStream中，我们仔细思考后可以顺理成章地将其Chanel放入PipedOutputStream中。请注意synchronized方法是得到哪个字节流的锁！！
5 Chanel移出的一个例子
在上面两个例子中Buffer要么在写入对象的内部，要么在读取对象的内部。主要通过适配该对象的方法，达到自己的需求而已。下面是一个一般的例子――将Chanel移出，Chanel提供了写入与读取的功能。这也完全合乎OO的“Single Responsibility Protocol――SRP”。输入部分使用Delegate复用此Chanel，将其适配至InputStream和OutputStream。下面是简单的Source code。
//PipedChanel.java
import java.io.IOException ;
public class PipedChanel {
protected static final int PIPE_SIZE = 1024;
protected byte buffer[] = new byte[PIPE_SIZE];
protected int in = -1;
protected int out = 0;
public PipedChanel(){ }
public PipedChanel(int size){
buffer = new byte[size] ;
}
public synchronized int read() throws IOException { }
public synchronized int read(byte b[], int off, int len) throws IOException { }
public synchronized int available() throws IOException {}
public synchronized void close() throws IOException {}
public synchronized void write(int b) throws IOException {}
public synchronized void write(byte b[]) throws IOException {}
public synchronized void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {}
public synchronized void flush() throws IOException {}
public void waitWhileFull(){ } //当Chanel已经满了，写线程等待
public void waitWhileEmpty{ } //当Chanel为空，读取线程等待
//以上是两个操作Chanel时的状态相关的方法。
//是一致性编程部分，典型的设计模式。
//这两个方法，包含在对应读或写方法的最前面。
}
// PipedChanelInputStream.java
import java.io.*;
public class PipedChanelInputStream extends InputStream {
private PipedChanel chanel ;
public PipedChanelInputStream(PipedChanel chanel){
this.chanel = chanel ;
}
public int read() throws IOException {
return chanel.read();
}
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
return chanel.read(b,off,len);
}
public int available() throws IOException {
return chanel.available();
}
public void close() throws IOException {
chanel.close();
}
}
// PipedChanelOutputStream.java
import java.io.*;
public class PipedChanelOutputStream extends OutputStream {
private PipedChanel chanel ;
public PipedChanelOutputStream(PipedChanel chanel){
this.chanel = chanel ;
}
public synchronized void write(int b) throws IOException {
chanel.write(b);
}
public synchronized void write(byte b[]) throws IOException {
chanel.write(b);
}
public synchronized void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {
chanel.write(b,off,len);
}
public synchronized void flush() throws IOException {
chanel.flush();
}
public synchronized void close() throws IOException {
chanel.close();
}
}
很简单的例子。我们可以体会适配器模式，可以体会软件设计的灵活性……
上面的关于PipedInputStream和PipedOutputStream的例子，本质上是对一个Chanel的几个不同的适配。Chanel作为一种编程模式，在软件设计中有极其广泛的应用。下面一节是JMS的简洁阐述！
以上的例子其实是一个典型的使用适配器。
6 JMS的架构
JMS为J2EE部分的面向消息中间件的API。JMS的Queue、Topic某种意义上就是我们上面Chanel移到网络的其它一段――服务器上的一个例子。同时该Chanel得到了很多强化。如：1.支持交易；2.支持持久化……
在J2EE中JMS是一个比较重要的方向，大型的企业应用中都会使用。不过J2EE中给出了其API，背后的理念还是相当丰富的！（具体细节以后会有相关文章！！唉，还是因为忙！！）