Java IO系列 | 经典 IO

前言

Android 开发中不可避免会接触到IO，本篇作为系列中的第一篇，将和大家一同花费5分钟的时间，梳理经典IO 的知识。

重点内容脑图如下，文章亦按照此结构展开，如已熟练掌握，可跳过

作者按：在一些文章、资料中，将JDK1.4前的IO内容，称为 经典IO、 BIO 、 标准IO 、 Blocking IO 、传统IO 、 Java IO。都有一定的道理，但注意 BIO 、Blocking IO 此类称谓可能引起混淆。本系列中以 经典IO 指代JDK1.4 前的IO

JAVA 经典IO 概述

流模型与分类

在经典IO中，流(stream)是对数据传输的总称。流代表数据的流动。

按 操作单位 ，可以分为
- 字节流 ，操作对象为字节
- 字符流 ，操作对象为字符，涉及到编码
按 数据流方向 ，可以分为：
- 输入流 ，输入流代表从某个地方(硬盘、内存、网络等)读入内存
- 输出流 ，输出流代表从内存写出到某个地方
按 功能类型 ，可以分为：
- 节点流 ，节点流代表数据的源头和终点，常见的有文件流、数组流和管道流等
- 处理流 ，处理流是连接在节点流之上，为节点流提供某种额外的功能,如缓冲、转换等

优点

不难想象，IO的 场景 和 处理过程 是多而繁杂的，因此需要 加以抽象 、并 建立类簇，以满足程序设计的通用性和扩展性，而 流 的抽象非常贴切，包含了最基础的操作API。 对于调用方而言非常友好。

局限性

经典IO 设计中采用 同步阻塞机制 。以读为例，调用 read() 方法时，如果数据尚未就绪，线程会阻塞。这会降低程序的运行效率，在网络IO中更加明显。

对于IO负荷较小的客户端程序，尚可接受，但对于 高负载 、高并发 的服务器环境，经典IO存在明显的瓶颈，并不能充分发挥硬件性能和带宽。

字节流

按照数据流方向，JDK中设计有两个基类：

InputStream 读取字节数据的抽象父类
OutputStream 写出字节数据的抽象父类

UML

JDK中主要的类UML图如下：

作者按：每个子类的具体作用不再展开，如您尚不清楚部分类的作用，可直接阅读JDK中的注释

FileInputStream 和 FileOutputStream:用于读写文件
BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream:带缓冲的文件流,可以提高读写效率
DataInputStream 和 DataOutputStream:用于读写基本数据类型
ByteArrayInputStream 和 ByteArrayOutputStream:操作内存中的字节数组
ObjectInputStream 和 ObjectOutputStream:用于读写可序列化的对象

当下，应用中 ObjectInputStream、ObjectOutputStream 使用相对较少，一般会将其序列化为JSON、XML存储或映射到数据库。

对象类必须满足以下条件：

实现 java.io.Serializable 接口。
该类 除transient关键字修饰 的所有属性必须是可序列化的。

class Demo {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        // 写对象
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("object.txt"));
        oos.writeObject(new Person("张三", 25));
        oos.close();

        // 读对象
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("object.txt"));
        Person p = (Person) ois.readObject();
        ois.close();

        System.out.println(p.getName() + ", " + p.getAge());
        // 张三, 25
    }
}

字符流

按照数据流的方向，JDK中设计有两大基类：

Reader :读取字符数据的抽象父类。
Writer :写出字符数据的抽象父类。

UML

JDK中主要的类UML图如下：

FileReader 和 FileWriter :用于读取和写入字符文件
BufferedReader 和 BufferedWriter :带缓冲的文件字符流,可以提高读写效率
CharArrayReader 和 CharArrayWriter :读取和写入内存字符数组
PipedReader 和 PipedWriter :pipe输入流、输出流,线程间通信
InputStreamReader 和 OutputStreamWriter:将字节流转化为字符流,作为桥梁使用

不再展示使用方式

缓冲流

缓冲流内部有一个缓冲区,可以减少实际读取数据的次数,从而提高流的读取、写入效率。

缓冲流是一种加强的流, 内部拥有一个 缓冲区 ,可以 减少系统调用的次数,从而提高读写效率 。

Java 提供了以下的缓冲流:

字节缓冲流 BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream : 对 FileInputStream 和 FileOutputStream 加以缓冲
字符缓冲流 BufferedReader 和 BufferedWriter : 对 FileReader 和 FileWriter 加以缓冲

打印流

PrintStream 和 PrintWriter 可以打印各种数据类型，PrintWriter 的打印格式更加丰富一些,支持字符串的格式化输出。

两者主要区别:

PrintStream 是字节流, PrintWriter 是字符流。
PrintStream 不支持写入文件之外的其他sink, 但 PrintWriter 支持。
在API丰富性上，PrintStream 只有 print() 和 println() 两个打印API, PrintWriter 更丰富,且支持格式化输出。
PrintWriter 可能抛出 IOException。

PrintStream 存在少许性能优势，但在大多数情况下 PrintWriter 比 PrintStream 更实用。

随机访问流

RandomAccessFile 可以随机访问文件中的任意位置，它既可以作为输入流也可以作为输出流。

它具有两个构造方法:

RandomAccessFile(File file, String mode)
RandomAccessFile(String name, String mode)

mode参数 指定打开文件的模式,有以下几种:

r: 只读模式
rw: 读写模式
rws: 读写同步模式
rwd: 读写,同步元数据

rws,比rw的写多了同步，同步写入指的是将文件内容和元数据同步写入磁盘,保证数据不丢失。

例如,我们写入一些数据,关闭流后,数据实际上还在操作系统的缓冲区,还没有真正写入磁盘，如果系统出现异常，缓冲区数据会丢失。

rwd,比rw多了同步元数据，元数据是描述数据属性和结构的信息,文件系统会维护每个文件的元数据,如:

文件大小

创建时间

最后修改时间

文件权限

文件类型等 rwd模式会在修改文件内容后自动更新文件的元数据,保证元数据的同步性

在文件断点续传需求场景下，RandomAccessFile 具有极高适用性，结合切片处理的思路，可以充分发挥带宽和多核多线程优势。

结语

本篇文章简单梳理了Java 经典IO的基础知识，并未深入，应对客户端中的需求场景已基本够用，下一篇，我们将继续梳理Java NIO的基础知识。

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