JAVA—IO流详解

1. 流概述

1.1. 什么是IO

IO:Input/Output即输入&输出，也称之为流（河流，水流），指的是数据从一个地点到另一个地点过程；对于计算机来说文件的拷贝过程，文件的编写保存，显示功能都是使用到IO；将数据的传输过程看做一个输入输出。现实角度考虑可以将耳朵作为输入流，将嘴巴当做输出流

• 输入输出介质：
  • 文件
  • 网络
  • 键盘（输入）
  • 显示器（输出）

1.2. IO分类

Java针对IO操作提供了相应的API，Java中几乎所有的IO操作都需要使用java.io包；java中对于流的分类包含各种方式：

• 按流向分（输入输出过程通常都是站在程序角度考虑）
  • 输入流（Input）
  • 输出流（Output）
• 按流的处理类型分
  • 字节流（byte）
  • 字符流（char）
• 按流的功能来分
  • 节点流（直接跟输入输出源交互）
  • 处理流（对其他流包装的流：包装流）

1.3. 顶级父类

流虽然内容繁多，但是规律性很强，几乎所有的流都从四个基本流继承而来：

	输入流	输出流
字节流	java.io.InputStream	java.io.OutputStream
字符流	java.io.Reader	java.io.Writer

以上四个流是所有java流的顶层父类，都是抽象类;

流的类型识别规律性很强：一般以Stream结尾的都是字节流；一般以Reader/Writer结尾的流都是字符流

1.4. 使用场景

• 文件拷贝（File）
• 文件上传下载
• Excel导入导出
• 网络程序中数据传输（聊天工具）
• …

2. 字节流

2.1. 字节概述

​ 在计算机系统中，一切都是字节：系统中存储的各种文件（文本文档，图片，视频，音频）的存储在计算机低层都是以字节的形式存储的，因此对于任何的文件操作都是可以使用一个一个字节进行操作的（读，写）；java.io中的字节流顶层父类是:InputStream/OutputStream.

2.2. 字节输入流

java中字节输入流都是从java.io.InputStream继承而来。由于该类为抽象类，因此无法实例化的，所以jdk对于字节输入提供了一些能够直接使用子类：

• FileInputStream
• ByteArrayInputStream
• BufferedInputStream
• ObjectInputStream

InputStream常用方法

• int available():获取流中可读字节数
• int read():从流中读取一个字节，返回当前读取的字节数据
• int read(byte[] b):将读取的字节数据存储到字节缓冲区，并返回实际的读取字节总数
• skip(int b):跳过指定个字节发生下一次读取

2.2.1. FileInputStream

FileInputStream是一个针对字节输入流的实现流，主要用于对文件进行读取操作，内部的方法主要是针对父类的实现，

• 常见构造器

  • FileInputStream(File file):根据提供的文件构建的对象
  • FileInputStream(String filePath)：根据提供的文件路径构建对象

• 使用FileInputStream进行文件读取操作

  1. 基本读取（每次读取一个字节）

     //创建File对象
     File file = new File("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\新建文本文档.txt");
     //基于File创建字节输入流
     InputStream in = new FileInputStream(file);
     
     //读取一个字节
     int i = in.read();
     System.out.println((char)i);
     

     Java的IO只能对标准文件发生读写操作，不允许直接对一个目录创建输入或者输出流（会导致java.io.IOException(拒绝访问)）

  2. 使用字节缓冲区读取（缓冲区大小为总可读字节数）

     由于以上的读取方式是每次一个字节读取，因此，读取效率很低，所以实际开发中一般会使用一个字节缓冲区，提高读取效率：

     //创建File对象
     File file = new File("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\新建文本文档.txt");
     //基于File创建字节输入流
     InputStream in = new FileInputStream(file);
     
     //创建字节缓冲区（大小为总可读字节数）
     byte[] arr = new byte[i];
     //将流中读取的字节内容存储到数组中
     int total = in.read(arr);
     //将字节数组转换为String字符串
     System.out.println(new String(arr));
     

  3. 使用合适大小字节缓冲区读取

     以上的读取是一次性将文件中的数据读取到缓冲区中，因此，缓冲区中容量可能会很大，如果针对一个大文件文件的读取，使用一个过大的缓冲区，可能会造成空间的消耗，从而影响其他程序的执行，所以，需要一个合适大小的缓冲区进行反复读取

     //创建文件输入流对象（文件：一缸水）
     InputStream in = new FileInputStream("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\Hero.java");
     
     //创建缓冲区（购买一个大小适中的水桶）
     byte[] b = new byte[1024];
     //声明临时变量表示每次读取的实际字节数
     int len = 0;
     while((len = in.read(b)) != -1){
             
             
         String s = new String(b,0,len);
         System.out.println(s);
     }
     

     以上的读取方式就是对于与字节流的读取常规解决方案

2.3. 字节输出流

根据数据的流向除了可以进行读取（输入）操作之外，数据的写（输出）操作也是十分常见，java中的字节输出流都是从java.io.OutputStream继承过来

由于OutputStream是一个抽象类，无法实例化，因此jdk也提供了针对该流的子类：

• FileOutputStream
• ByteArrayOutputStream
• BufferedOutputStream
• ObjectOutputStream
• PrintStream

OutputStream类的常见方法：

• write(int b):将一个字节通过输出流写出到目标输出源
• write(byte[] b)：将一个字节数组通过输出流写出到目标输出源
• write(byte[] b,int offset,int len)将一个数组的offset开始写出len个字节到目标输出源

2.3.1. FileOutputStream

FileOutputStream是一个针对字节输出流的实现流，主要用于对文件进行写入操作，内部的方法主要是针对父类的实现

• 常用构造器

  • FileOutputStream(String filePath):基于一个标准文件的路径创建对其操作的输出流
  • FileOutputStream(String filePath,boolean append):基于一个标准文件的路径创建对其操作的输出流，使用追加模式
  • FileOutputStream(File file):基于一个标准文件的路径创建对其操作的输出流
  • FileOutputStream(File file,boolean append)基于一个标准文件对象创建对其操作的输出流，使用追加模式

• 使用FileOutputStream进行文件写出操作

   //try...with语句：JDK1.7
          //针对所有的第三方资源不再需要手动回收（关闭）
          //因为从jdk1.7开始，很多资源类都实现过Closeable接口，但凡实现过该接口类
          //只要将其在try()中创建，不再手动关闭资源，会由JVM自动回收
          try(OutputStream os = new FileOutputStream("readme.txt",true);){
        
        
              //写出一个字节到文件中
  //            os.write(101);
  
              //荀子·劝学篇
              String msg = "不积小流无以成江海，不积跬步无以至千里";
              os.write(msg.getBytes());
  
          }catch (IOException e){
        
        
              e.printStackTrace();
          }
  

2.4. 综合案例-文件拷贝

/**
     * 将一个源文件拷贝到一个目标目录中
     * @param src 源文件
     * @param targetDir 目标目录
     */
public static void copyFile(File src, File targetDir) throws IOException {
    
    
    InputStream is = null;
    OutputStream os = null;
    try {
    
    
        //获取源文件的输入流
        is = new FileInputStream(src);
        //获取目标文件的输出流（目标文件是由：目录+源文件名称构成）：文件输出流可以创建文件（前提：父目录必须存在）
        os = new FileOutputStream(new File(targetDir,src.getName()));
        //声明字节缓冲区(缓冲区越大，拷贝效率越高，但是带来空间损耗也越大)
        byte[] b = new byte[1024*1024];
        //临时变量表示实际读取的字节数
        int len = 0;
        System.out.println("开始拷贝...");
        while((len = is.read(b)) != -1){
    
    
            //写出读取的内容到输出流
            os.write(b,0,len);
        }
        System.out.println("拷贝完成！");
    }  finally{
    
    
        if(os != null){
    
    
            os.close();
        }
        if(is != null){
    
    
            is.close();
        }
    }

}

//测试
public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
    //源文件
    File src = new File("D:\\素材\\视频\\短视频\\test.mp4");
    //目标目录
    File targetDir = new File("C:\\Users\\Administrator\\Desktop");
    //文件拷贝
    copyFile(src,targetDir);
}

在文件拷贝的基础上实现目录拷贝：

public class FileCopy {
     
     

/**
   * 将一个源目录拷贝到另一个目标目录中
   * @param srcDir
   * @param targetDir
   */
  public static void copyDir(File srcDir,File targetDir) throws IOException {
     
     
      //获取新目录对象
      targetDir = new File(targetDir,srcDir.getName());
      //如果新目录不存在，则创建
      if(!targetDir.exists()){
     
     
          targetDir.mkdirs();
      }
      File[] files = srcDir.listFiles();
      if(Objects.nonNull(files)){
     
     
          for (File file : files) {
     
     
              if(file.isDirectory()){
     
     
                  //目录递归拷贝
                  copyDir(file,targetDir);
              }else{
     
     
                  //执行文件拷贝
                  copyFile(file,targetDir);
              }
          }
      }
  }

  /**
   * 将一个源文件拷贝到一个目标目录中
   * @param src 源文件
   * @param targetDir 目标目录
   */
  public static void copyFile(File src, File targetDir) throws IOException {
     
     
      InputStream is = null;
      OutputStream os = null;
      try {
     
     
          //获取源文件的输入流
          is = new FileInputStream(src);
          //获取目标文件的输出流（目标文件是由：目录+源文件名称构成）
          os = new FileOutputStream(new File(targetDir,src.getName()));
          //声明字节缓冲区(缓冲区越大，拷贝效率越高，但是带来空间损耗也越大)
          byte[] b = new byte[1024*1024];
          //临时变量表示实际读取的字节数
          int len = 0;
          System.out.println("开始拷贝...");
          while((len = is.read(b)) != -1){
     
     
              //写出读取的内容到输出流
             os.write(b,0,len);
          }
          System.out.println("拷贝完成！");
      }  finally{
     
     
          if(os != null){
     
     
              os.close();
          }
          if(is != null){
     
     
              is.close();
          }
      }

  }

  public static void main(String[] args) throws IOException {
     
     
      //源目录
      File srcDir = new File("D:\\素材\\视频");
      //目标目录
      File targetDir = new File("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\video");
      //目录拷贝
      copyDir(srcDir,targetDir);
  }
}

3. 字符流

3.1. 字符概述

通常在文本文件中，文件内容的存在形式一般是以一个个字符（一个中文汉字，一个英文字母，一个符号）的形式存在，在GBK编码模式下通常1个字符=2个字节;字符流一般适用于对文本数据的处理，java中所有的字符流几乎都是以Reader/Writer结尾，并且都是从两个基本的抽象类中继承：

• java.io.Reader：字符输入流
• java.io.Writer：字符输出流

3.2. 字符输入流

字符输入流一般用于对文本数据进行读取操作，常见的子类：

• InputStreamReader
• FileReader
• BufferedReader
• CharArrayReader

3.2.1. FileReader

FileReader是一个以字符流的形式进行文件内容读取的流，从InputStreamReader继承而来，内部没有多余的方法（与父类的API一致），提供一下常见的构造方法：

• 常用构造方法

  • FileReader(File file):根据提供的文件对象获取文件字符输入流
  • FileReader(String path):根据提供的文件路径获取文件字符输入流

• 具体使用

  //创建文件字符输入流
  FileReader fr = new FileReader("D:\\文档资料\\电子书\\书籍推荐.txt");
  
  //获取当前流使用的默认编码模式（并非目标文件的编码）
  //        String encoding = fr.getEncoding();
  //        System.out.println(encoding);
  
  //读取一个字符（以int类型存在）
  //        int read = fr.read();
  //        System.out.println((char)read);
  
  //        int c = 0;
  //        while((c = fr.read()) != -1)
  //        {
        
        
  //            System.out.print((char)c);
  //        }
  
  //使用字符缓冲区
  char[] ch = new char[100];
  int len = 0;
  while((len = fr.read(ch)) != -1){
        
        
      String s = new String(ch,0,len);
      System.out.print(s);
  }
  

3.3. 字符输出流

字符输出流一般用于对文本数据进行写出操作，常见的子类：

• Reader`
• OutputStreamWriter
• BufferedWriter
• CharArrayWriter
• FileWriter
• PrintWriter

3.3.1 FileWriter

FileWriter是一个以字符流的形式进行文件内容写出的流，从OutputStreamWriter继承而来，内部没有多余的方法（与父类的API一致），提供一下常见的构造方法：

• 常用构造方法

  • FileWriter(File file):根据提供的文件对象获取文件字符输入流
  • FileWriter(String path):根据提供的文件路径获取文件字符输入流
  • FileWriter(File file,boolean append):根据提供的文件对象获取文件字符输入流(使用追加模式)
  • FileWriter(String path,boolean append):根据提供的文件路径获取文件字符输入流(使用追加模式)

• 具体使用

  //基于指定的文件创建字符输出流
  FileWriter fw = new FileWriter("readme.txt");
  fw.write("路漫漫其修远兮，吾将上下而求索");
  
  //允许在流未关闭之前，强制将字符缓冲区中的数据写出到目标输出源
  fw.flush();
  
  Thread.sleep(10000);
  fw.write("好好xio习，天天up！！！");
  fw.close();
  

  对于字符输出流，内部使用到了一个字符缓冲区(字符数组),在进行数据写出时，通常是将需要写出的数据缓存存在了字符数组中，然后在关闭流时（或者缓冲区存满时），一次性将缓冲区的数据写出到目标输出源， 如果需要在流未关闭前（或者缓冲区未满时）强制的将字符缓冲区中的数据写出，可以手动调用flush()强制输出。

4. 处理流

对于流的处理类型（功能）来分又分为节点流和处理流：

• 节点流

  也称之为低级流，直接跟输入输出源沟通的流（例如:FileReader,FileWriter,FileInputStream,FileOutputStream）

• 处理流

  处理流也称之为高级流或包装流，即可以用于对其他节点流进行包装，以实现流的类型转换或者效率的提升。处理流主要由缓冲流和转换流构成

包装通常使用到了一种设计模式（装饰器模式）

4.1. 缓冲流

缓冲流是一种自带缓冲区的流，主要由以下四种构成

• BufferedInputStream：字节缓冲输入流
• BufferedOutputStream：字节缓冲输出流
• BufferedReader：字符缓冲输入流
• BufferedWriter：字符缓冲输出流

long start = System.currentTimeMillis();
try(
    //获取输入流
    InputStream in = new FileInputStream("D:\\集团资料\\宣讲\\video\\云计算&大数据\\阿里云.mp4");
    //包装节点流
    BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(in);
    //获取输出流
    OutputStream os = new FileOutputStream("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\阿里云.mp4");
    //包装节点流
    BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(os);
) {
    
    
    System.out.println("开始拷贝");
    byte[] b = new byte[1024*1024*8];
    int len = 0;
    while((len = bis.read(b)) != -1){
    
    
        bos.write(b,0,len);
    }
    System.out.println("拷贝结束");
}catch (IOException e){
    
    
    e.printStackTrace();
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("耗时:"+(end-start));

缓冲流内部实现原理使用了了一个默认大小为8kb的字节缓冲区，每次将缓冲区的空间存满之后再将数据通过流对象完成读写操作

4.2. 转换流

在一些需求中经常会需要将一个字节流的数据转换为字符流；又或者需要将一个字符流转换为字节流，此时就需要使用转换流来完成功能，转换流一般应用于：文件转码，从网络中读取的数据为字节流时，但是该流包含内容是字符时，可以使用转换流实现转换；java.io中转换流主要由以下两个类构成：

• InputStreamReader：用于将字节输入流转换为字符输入流（字节->字符）
• OutputStreamWriter：用于将字符输出流转换为字节输出流（字符->字节）

使用实例：

//获取标准输入流
InputStream is = System.in;

//将字节流转换为字符流
Reader isr = new InputStreamReader(is);
//将字符节点流包装为缓冲流
BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
//读取一行
String line = br.readLine();
System.out.println("输入的内容--->"+line);

转换流只能对流的类型转换，不能对流向转换

4.3. 综合案例：文件转码工具

日常的文件拷贝中由于多个编辑器（系统）的编码模式存在差异，因此极有可能出现文件乱码问题（对于文本文件较为常见），通过转换流可以实现文件转码的功能：

public class FileCharacterConvert {
    
    

    /**
     * 将一个目标文件的编码转换为新的编码
     * @param file  原始文件
     * @param targetDir 目标目录
     * @param oldEncoding  原始编码
     * @param newEncoding   新编码
     */
    public static void convert(File file,File targetDir, String oldEncoding, String newEncoding) throws IOException {
    
    

        //使用特定的编码获取文件的输入流
        FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
        Reader reader = new InputStreamReader(fis,oldEncoding);
        BufferedReader br = new BufferedReader(reader);

        //使用特定的编码获取文件的输出流
        FileOutputStream fow = new FileOutputStream(new File(targetDir,file.getName()));
        Writer writer = new OutputStreamWriter(fow,newEncoding);
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(writer);

        //开始读写
        String line = "";
        //循环读取每一行文本以换行符作为一行的结束标记（但是换行符不会被作为内容读取）
        while((line = br.readLine()) != null){
    
    
            //写入读取的一行文本（）
            bw.write(line);
            //手动加入一个换行标记到文件，否则所有内容会在同一行显示
            bw.newLine();
            //将缓冲区的数据强制输出到目标输出源
            bw.flush();
        }
        bw.close();
        br.close();
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        //准备需要转换的文件
        File f = new File("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\GamePanel.java");
        convert(f,new File("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\temp"),"gbk","utf-8");
    }
}

5. 打印流

java.io，对于数据的输出提供了两个特殊的流:打印流，打印流只有输出没有输入，并且可以直接针对输出源创建，也可以将其他输出流包装，打印流主要包含以下两个流：

• PrintStream:字节打印流
• PrintWriter:字符打印流

5.1. PrintStream

PrintStream是继承自java.io.OutputStream，是一个用于进行字节数据输出的流，内包含了大量的print/prinln重载方法；并且System.out实际上就是一个PrintStream

• 常见构造器

  • PrintStream(File file):基于指定的文件创建打印流
  • PrintStream(OutputStream os)：将其他字节输出流包装
  • PrintStream(OutputStream os,boolean autoFlush)：将其他字节输出流包装，可以自动刷新流中数据

• 常用方法

  • print(...)
  • println(...)

• 基本使用

  //        PrintStream ps = new PrintStream(new File("readme.txt"),true);
  
  OutputStream os = new FileOutputStream("readme.txt", true);
  PrintStream ps = new PrintStream(os,true);
  ps.println("你好中国");
  

5.2. PrintWriter

PrintWriter和PrintStream区别在于，PrintWriter是基于字符的打印流（包含字符缓冲区），其API与PrintStream极其相似；在使用PrintWriter打印数据的时候记得执行flush()方法

FileWriter fw = new FileWriter("readme.txt",true);

PrintWriter pw = new PrintWriter(fw);

pw.println("哪里有彩虹告诉过我！！！");

pw.flush();

pw.close();

6. 资源文件读取（Properties类）

在后期框架的学习过程中，经常会涉及到一些配置文件的编写，其中属性文件是很常见的一种文件类型，java中对于属性文件的读写提供了一个java.util.Properties类:

InputStream in = PropertiesDemo.class.getResourceAsStream("/jdbc.properties");
//创建属性对象
Properties prop = new Properties();
//        Properties prop = System.getProperties();
//加载流到属性对象中
prop.load(in);

String user = prop.getProperty("user");
String url = prop.getProperty("url");
System.out.println(user);
System.out.println(url);

prop.setProperty("maxActive","10");

File f = new File("D:\\带班资料\\2021\\J2106\\课程资料\\code\\part1-javase\\java高级\\lesson_01_IO\\resources\\jdbc.properties");
FileWriter fw = new FileWriter(f);
prop.store(fw,"this is jdbc config file");
fw.close();

7. 流的总结

• 所有的输入流名称中包含input、read
• 所有的输出流名称中包含output、write
• 所有的字节流名称以stream结尾
• 所有的字符流名称以reader或writer结尾
• 一般二进制类型的文件(图片，视频，音频，压缩文件等无法直接使用文本文档打开的文件)主要使用字节流操作
• 一般文本类型文件(txt,md,java等可以直接使用文本文档打开的文件)主要使用字符流操作