深入分析Java I/O 工作机制

这是一篇转载的文章,原文地址:http://www.voidcn.com/article/p-bqmrijlk-mc.html
IO是Java及众多编程语言很重要的一块,同时很多程序的瓶颈和耗时操作也都在IO这块。所以能够很好的解决IO问题对提高程序性能有很大的帮助!本章我们将要系统的对Java IO做个分析,通过理论加实践,希望读者朋友们能真正彻底的理解并且掌握了它。本章系Java之美[从菜鸟到高手演变]系列之Java IO,通过本章的学习,读者朋友们能基本了解到关于IO的很多知识。日后加以理解、分析、在项目中实践,定能灵活运用!
一、简介
IO操作面临很多问题,信息量的巨大,网络的环境等等,因为IO不仅仅是对本地文件、目录的操作,有时对二进制流、还有一部分是网络方面的资源,所以多种原因直接造成IO操作无疑是耗时且复杂多变的。Java对IO的支持是个不断的演变过程,经过了很多的优化,直到JDK1.4以后,才趋于稳定,在JDK1.4中,加入了nio类,解决了很多性能问题,虽然我们有足够的理由不去了解关于Java IO以前的情况,但是为了学好现在的类,我们还是打算去研究下,通过掌握类的优化情况来彻底理解IO的机制!Java IO主要主要在java.io包下,分为四大块近80个类:
1、基于字节操作的I/O接口:InputStream和OutputStream
2、基于字符操作的I/O接口:Writer和Reader
3、基于磁盘操作的I/O接口:File
4、基于网络操作的I/O接口:Socket(不在java.io包下)
影响IO性能的无非就是两大因素:数据的格式及存储的方式,前两类主要是数据格式方面的,后两个类是存储方式方面的:本地和网络。所以策划好这两个方面的活动,有助于我们合理使用IO。
二、基于字节的I/O操作(InputStream和OutputStream)
我们先来看看类图:

图1
这里写图片描述
图2
这里写图片描述
二者类似,我只详细讲解InputStream类,OutputStream留给大家自己去学习。InputStream类是个抽象类,里面核心的方法就是read()、read(byte b[])、read(byte b[], int off, int len),这三个方法是用于读取数据的底层的方法,他们可以用来读取一下这些类型的数据:
A. 字节数组
B. String对象
C. 文件
D. 管道,从一端进入,从另一端输出
E. 流
F. internet资源
每一种数据源都有相应的InputStream子类,因为InputStream是个处于顶层的类,用来处理各种数据源的类都继承了InputStream类,我们来看看这些类:
ByteArrayInputStream:处理字节数组的类,允许将内存的缓冲区当做InputStream使用。
StringBufferInputStream:将String转换成InputStream,内部实现用的是StringBuffer。
FileInputStream:从文件中读取数据。
PipedInputStream:用于从管道中读取数据。
SequenceInputStream:将多个流对象转化成一个InputStream。
FilterInputStream:装饰器类,为其它InputStream类提供功能。
做过关于IO操作的读者知道,我们很少单独使用哪个类来实现IO操作,平时都是几个类合起来使用,这其实体现了一种装饰器模式(详见:http://blog.csdn.NET/zhangerqing)的思想,在后面的分析中我们会详细的分析。从上面的图1中我们可以看出,FilterInputStream虽说是Inputstream的子类,但它依然是BufferedInputStream、DataInputStream、LineNumberInputStream、PushbackInputStream类的父类,这四个类分别提供了最贴近我们程序员使用的方法,如:readInt() 、readInt()、readInt()等等。对于IO操作,不管是磁盘还是网络,最终都是对字节的操作,而我们平时写的程序都是字符形式的,所以在传输的过程中需要进行转换。在字符到字节的转换过程中,我们需要用到一个类:InputStreamReader。
三、基于字符的I/O操作(Writer和Reader)

图3
这里写图片描述
图4
这里写图片描述
Writer和Reader操作的目的就是操作字符和不是字节,和InputStream和OutputStream配合增加IO效果。通过InputStreamReader和OutputStreamReader可以进行字节和字符的转换,设计Writer和Reader的目的是国际化,使IO操作支持16位的Unicode。我把它们单独的画出来,因为要是全画的话,太大了放不下,有兴趣的TX可以在rational rose中导入其带的JDK类图看看,很过瘾的!
四、基于磁盘的I/O操作(File)
五、基于网络的I/O操作(Socket)
六、NIO
四-六部分由于时间关系,还没有整理完,后续会补出来!
七、经典IO操作
1、缓冲输入文件。

import java.io.BufferedReader;  
import java.io.FileReader;  

public class InputStreamTest {  

    public static String read(String filename) throws Exception {  
        BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader(filename));  
        String s;  
        StringBuffer sb = new StringBuffer();  
        while ((s = br.readLine()) != null) {  
            sb.append(s + "\n");  
        }  
        br.close();  
        return sb.toString();  
    }  

    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        System.out.println(read("src/InputStreamTest.java"));  
    }  
 } 
  ```
  
这段代码是从磁盘读入InputStreamTest.java文件,然后转换成字符串。输出就是将源文件原样输出。
2、从内存中读取。

import java.io.StringReader;  

public class MemoryInput {  

    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        StringReader in = new StringReader(  
                InputStreamTest.read("src/MemoryInput.java"));  
        int c;  
        while ((c = in.read()) != -1)  
            System.out.println((char) c);  
    }  

}  ```
read返回的是int类型的数据,所以在输出语句中用char做了强类型转换。该程序将一个一个的输出字符。
3、基本的文件输出。
``` java 
import java.io.BufferedReader;  
import java.io.BufferedWriter;  
import java.io.FileWriter;  
import java.io.PrintWriter;  
import java.io.StringReader;  

public class BasicFileOutput {  

    static String file = "basie.out";  

    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        BufferedReader in = new BufferedReader(new StringReader(  
                InputStreamTest.read("src/BasicFileOutput.java")));  
        PrintWriter out = new PrintWriter(new BufferedWriter(new FileWriter(  
                file)));  
        int lineCount = 1;  
        String s;  
        while ((s = in.readLine()) != null) {  
            out.println(lineCount++ + ": " + s);  
        }  
        out.close();  
        System.out.println(InputStreamTest.read(file));  
    }  
}  




<div class="se-preview-section-delimiter"></div>

输出:
1: import java.io.BufferedReader;
2: import java.io.BufferedWriter;
3: import java.io.FileWriter;

4、RandomAccessFile
RandomAccessFile被我们称为”自我独立的类”,因为它独立于我们前面说的IO类,与InputStream和OutputStream没什么关系,除了实现了DataOutput, DataInput两个接口外。所有方法都是重新编写,而且很多都是native方法,我们来看个例子,了解下这个类:
5、管道流
八、标准I/O
就是我们最原始的使用的从控制台输入或者输出的那些类和方法,如System.in、System.out等。
“`
public class StandardIO {

public static void main(String[] args) throws IOException {  
    BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));  
    String s;  
    while ((s = in.readLine()) != null && s.length() != 0)  
        System.out.println(s);  
}

}
System.in返回的是未经包装的InputStream对象,所以需要进行装饰,经InputStreamReader转换为Reader对象,放入BufferedReader的构造方法中。除此之外,System.out和System.err都是直接的PriintStream对象,可直接使用。我们也可以使用java.util包下的Scanner类来代替上述程序:
[java] view plain copy
public class StandardIO {

public static void main(String[] args) throws IOException {  
    Scanner in = new Scanner(System.in);  
    String s;  
    while((s = in.next()) != null && s.length() != 0){  
        System.out.println(s);  
    }  
}

}
九、性能分析及总结
1、一个文件读写工具类。
[java] view plain copy
import java.io.BufferedReader;
import java.io.File;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;

/**
* 一个非常实用的文件操作类 . 2012-12-19
*
* @author Bruce Eckel , edited by erqing
*
*/
public class TextFile extends ArrayList {

private static final long serialVersionUID = -1942855619975438512L;  

// Read a file as a String  
public static String read(String filename) {  
    StringBuilder sb = new StringBuilder();  
    try {  
        BufferedReader in = new BufferedReader(new FileReader(new File(  
                filename).getAbsoluteFile()));  
        String s;  
        try {  
            while ((s = in.readLine()) != null) {  
                sb.append(s);  
                sb.append("\n");  
            }  
        } finally {  
            in.close();  
        }  

    } catch (IOException e) {  
        throw new RuntimeException(e);  
    }  
    return sb.toString();  
}  

// Write a single file in one method call  
public static void write(String fileName, String text) {  
    try {  
        PrintWriter out = new PrintWriter(  
                new File(fileName).getAbsoluteFile());  
        try {  
            out.print(text);  
        } finally {  
            out.close();  
        }  
    } catch (IOException e) {  
        throw new RuntimeException(e);  
    }  
}  

// Read a file,spilt by any regular expression  
public TextFile(String fileName, String splitter) {  
    super(Arrays.asList(read(fileName).split(splitter)));  
    if (get(0).equals(""))  
        remove(0);  
}  

// Normally read by lines  
public TextFile(String fileName) {  
    this(fileName, "\n");  
}  

public void write(String fileName) {  
    try {  
        PrintWriter out = new PrintWriter(  
                new File(fileName).getAbsoluteFile());  
        try {  
            for (String item : this)  
                out.println(item);  
        } finally {  
            out.close();  
        }  

    } catch (IOException e) {  
        throw new RuntimeException(e);  
    }  

}  

// test,I have generated a file named data.d at the root  
public static void main(String[] args) {  

    /* read() test */  
    System.out.println(read("data.d")); // testing is OK!  

    /* write() test */  
    write("out.d", "helloworld\negg"); // testing is OK!  

    /* constractor test */  
    TextFile tf = new TextFile("data.d"); // testing is OK!  

}

}
2、读取二进制文件。
[java] view plain copy
import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

/**
* to read the binary file
*
* @author erqing
*
*/
public class BinaryFile {

/* the parametre is a file */  
public static byte[] read(File file) throws IOException {  
    BufferedInputStream bf = new BufferedInputStream(new FileInputStream(  
            file));  
    try {  
        byte[] data = new byte[bf.available()];  
        bf.read(data);  
        return data;  
    } finally {  
        bf.close();  
    }  
}  

/* the param is the path of a file */  
public static byte[] read(String file) throws IOException {  
    return read(new File(file).getAbsoluteFile());  
}

}

输出:
1: import java.io.BufferedReader;
2: import java.io.BufferedWriter;
3: import java.io.FileWriter;4、RandomAccessFile
RandomAccessFile被我们称为”自我独立的类”,因为它独立于我们前面说的IO类,与InputStream和OutputStream没什么关系,除了实现了DataOutput, DataInput两个接口外。所有方法都是重新编写,而且很多都是native方法,我们来看个例子,了解下这个类:
5、管道流
八、标准I/O
就是我们最原始的使用的从控制台输入或者输出的那些类和方法,如System.in、System.out等。
``` java
public class StandardIO {  

    public static void main(String[] args) throws IOException {  
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));  
        String s;  
        while ((s = in.readLine()) != null && s.length() != 0)  
            System.out.println(s);  
    }  
}

System.in返回的是未经包装的InputStream对象,所以需要进行装饰,经InputStreamReader转换为Reader对象,放入BufferedReader的构造方法中。除此之外,System.out和System.err都是直接的PriintStream对象,可直接使用。我们也可以使用java.util包下的Scanner类来代替上述程序:
[java] view plain copy
public class StandardIO {

public static void main(String[] args) throws IOException {  
    Scanner in = new Scanner(System.in);  
    String s;  
    while((s = in.next()) != null && s.length() != 0){  
        System.out.println(s);  
    }  
}

}
九、性能分析及总结
1、一个文件读写工具类。
[java] view plain copy
import java.io.BufferedReader;
import java.io.File;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;

/**
* 一个非常实用的文件操作类 . 2012-12-19
*
* @author Bruce Eckel , edited by erqing
*
*/
public class TextFile extends ArrayList {

private static final long serialVersionUID = -1942855619975438512L;  

// Read a file as a String  
public static String read(String filename) {  
    StringBuilder sb = new StringBuilder();  
    try {  
        BufferedReader in = new BufferedReader(new FileReader(new File(  
                filename).getAbsoluteFile()));  
        String s;  
        try {  
            while ((s = in.readLine()) != null) {  
                sb.append(s);  
                sb.append("\n");  
            }  
        } finally {  
            in.close();  
        }  

    } catch (IOException e) {  
        throw new RuntimeException(e);  
    }  
    return sb.toString();  
}  

// Write a single file in one method call  
public static void write(String fileName, String text) {  
    try {  
        PrintWriter out = new PrintWriter(  
                new File(fileName).getAbsoluteFile());  
        try {  
            out.print(text);  
        } finally {  
            out.close();  
        }  
    } catch (IOException e) {  
        throw new RuntimeException(e);  
    }  
}  

// Read a file,spilt by any regular expression  
public TextFile(String fileName, String splitter) {  
    super(Arrays.asList(read(fileName).split(splitter)));  
    if (get(0).equals(""))  
        remove(0);  
}  

// Normally read by lines  
public TextFile(String fileName) {  
    this(fileName, "\n");  
}  

public void write(String fileName) {  
    try {  
        PrintWriter out = new PrintWriter(  
                new File(fileName).getAbsoluteFile());  
        try {  
            for (String item : this)  
                out.println(item);  
        } finally {  
            out.close();  
        }  

    } catch (IOException e) {  
        throw new RuntimeException(e);  
    }  

}  

// test,I have generated a file named data.d at the root  
public static void main(String[] args) {  

    /* read() test */  
    System.out.println(read("data.d")); // testing is OK!  

    /* write() test */  
    write("out.d", "helloworld\negg"); // testing is OK!  

    /* constractor test */  
    TextFile tf = new TextFile("data.d"); // testing is OK!  

}

}
2、读取二进制文件。
[java] view plain copy
import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

/**
* to read the binary file
*
* @author erqing
*
*/
public class BinaryFile {

/* the parametre is a file */  
public static byte[] read(File file) throws IOException {  
    BufferedInputStream bf = new BufferedInputStream(new FileInputStream(  
            file));  
    try {  
        byte[] data = new byte[bf.available()];  
        bf.read(data);  
        return data;  
    } finally {  
        bf.close();  
    }  
}  

/* the param is the path of a file */  
public static byte[] read(String file) throws IOException {  
    return read(new File(file).getAbsoluteFile());  
}

}

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每日一句
    每一个你不满意的现在,都有一个你没有努力的曾经。