教你如何理解JAVA的I/O类库
花括号MC(huakuohao-mc)：关注JAVA基础编程及大数据，注重经验分享及个人成长。
Java 的 I/O 流，说简单也简单，说复杂也复杂。复杂是因为进行一次常规的文件 I/O 操作通常要用到很多 I/O 基础类，这很容易让新手产生困惑。简单是因为它的设计思想其实很简单。只要理解了它的设计思想就很容易知道如何使用它们。
Java 的 I/O 类库最基本的思想就是流的概念。你可以把它类比成水流，我们把数据从一个地方搬运到另一个地方就是一次 I/O 操作。比如读取文件 'A' 的内容，存入文件 'B' 就是一次文件 I/O 操作; 通过监听键盘输入，然后将内容存储到磁盘上也是一次 I/O 操作; 当然通过网络带宽把服务器 'A' 的内容发送到 'B' 服务也叫做一次 I/O 操作。
Java 的 I/O 流分为 输入流 和 输出流 。跟读相关的都叫输入流，跟写相关的都叫输出流。 Java 的 I/O 不光分为输入流跟输出流，按照流的性质还分为 字节流 和 字符流 。所有继承自抽象类 InputStream 和 OutPutStream 的流都是字节流，所有继承自抽象类 Reader 和 Writer 的流都是字符流。这两种不同性质的流都能进行 I/O 操作。
为什么要分为字节流跟字符流。
所谓的字节流，就是里面流淌的都是字节，也就 byte 。字符流呢，里面流淌的就是字符，也就是 char 。字符是由字节通过特定的编码组成的，比如 GBK 编码， ASCII 编码等等。同样的字节，使用不同的编码得到的内容可能不一样，这也就是编程中经常遇到的乱码问题。关于字符编码问题，这里不做深入展开，后续有机会可以单独写一下。
JDK最开始支持的都是字节流，因为计算机就认字节。但是计算机是为人服务的，我们更喜欢看字符，比如‘A’，‘B’，‘C’，‘中’，‘国’，这些都叫字符。如果我们每次按字节 I/O 读取内容，然后在展示出来，是需要做编码转化的，所以为了方便程序员使用，JDK增加了字符流的相关类库，JDK底层帮我们完成转换工作。
新的字符类库继承体系相比于老的字节流继承体系，有如下增强，支持国际化也就是支持16位的 Unicode 字符，老的I/O流仅支持8位的的字节流，而且在性能上也会有一定提升。在进行 I/O操作的时候，应该优先使用字符流，当字符流不能满足我们的时候，才转化到字节流，比如进行GZIP操作的时候，就需要使用字节流。
字节流I/O
先来认识一下字节流的 I/O 类库。
所有的跟输入相关的字节流都继承自抽象类 InputStream 。它有几个比较常用的直接子类，每个直接子类代表了一个数据源，比如 ByteArrayInputStream 表示将内存缓冲区中的字节数组当作输入源。 StringBufferInputStream 表示将 String 对象作为输入源，现在已经不推荐使用了，推荐使用 StringReader 读取 String 对象。后面介绍字符流的时候还会说到这个类。 FileInputStream 表示将文件作为数据源，这也是大家平时用的比较多的。
这些类的继承关系大概是这个样子
其中标红的直接子类 FilterInputStream 比较特殊。要想理解这个类存在的意义，需要对 装饰者模式 有一定了解。
俗话说的好，光说不练假把式，下面来看个小例子，看看如何进行字节流的文件 I/O 操作。
1try {
2 //打开输入流
3 InputStream in = new FileInputStream(new File("test-io.tmp"));
4 //打开输入流
5 OutputStream out = new FileOutputStream(new File("test-io.md"));
6 int length;
7 byte[] buffer = new byte[1024];
8 //输入流不断的读取，每次读取1024字节，直到文件末尾。
9 while ((length = in.read(buffer)) != -1) {
10 out.write(buffer,0,length);
11 }
12 in.close();
13 out.close();
14 } catch (FileNotFoundException e) {
15 e.printStackTrace();
16 } catch (IOException e) {
17 e.printStackTrace();
18 }
在真正的项目中很少看到这样的 I/O 操作，因为效率比较低。都2020年了，要是还进行非缓冲的 I/O 操作，估计会被同行狠狠的鄙视。我们针对上面的例子做一个小小的改动，使其变成带缓冲功能的 I/O 操作。主要的类就是 BufferedInputStream .
看代码
1try {
2 InputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream(new File("test-io.tmp")));
3 OutputStream out = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(new File("test-buffer-io.md")));
4 int lenght;
5 byte[] buffer = new byte[1024];
6 while ((lenght = in.read(buffer)) != -1){
7 out.write(buffer,0,lenght);
8 }
9 in.close();
10 out.close();
11 } catch (FileNotFoundException e) {
12 e.printStackTrace();
13 } catch (IOException e) {
14 e.printStackTrace();
15 }
装饰者模式的应用
上面这段带缓存功能的 I/O 操作跟不带缓存的 I/O 操作唯一的区别就是把 FileInputStream用 BufferedInputStream 给包装（装饰）了一下。下面看一下 BufferedInputStream 的继承关系。
FileterInputStream ：JDK官方文档是这样介绍这个类的。
把一个真正的带有数据源的输入流包装进来，并为其提供格外的功能，这个额外的功能要其子类去实现。
这是典型的装饰者模式。
大家可能会问，为什么不能直接让 BufferedInputStream 继承自 FileInputStream ,而偏偏引入个装饰者模式呢。
我们假设让 BufferedInputStream 继承自 FileInputStream ，那么当需要对 ByteArrayInputStream 进行缓存读取的时候自然也需要在实现一个 ByteBufferedInputStram ,这样类库就会变得异常复杂跟臃肿。这也是装饰者模式比继承的方式更灵活的地方。如果你还是一头雾水的话，建议去深入的理解一下装饰者模式吧。
字节流的 I/O 操作基本就这样了，下面看一下字符流。
字符流I/O
所有跟输入相关的字符流都继承自抽象类 Reader ，跟输出相关的都继承自抽象类 Writer 。
我们先看个小例子，假设不使用字符流而是使用字节流读取文件内容，然后将内容输出到控制台，看看应该怎样操作。
1public static void readFileStreamToChar(){
2 /**
3 * UTF-8编码英文字符占一个字节，
4 * 数字占一个字节，
5 * 有的汉字占三个字节，有的占用四个字节。
6 * 拉丁文，希腊文占两个字节。
7 */
8
9 try {
10 InputStream in = new FileInputStream(new File("test-io.tmp"));
11 int length;
12 byte[] buffer = new byte[4];
13 while ((length = in.read(buffer)) != -1) {
14 System.out.println("the length of bytes is " + length);
15 //编码转化
16 String content = new String(buffer, 0, length, Charset.forName("utf-8"));
17 System.out.println("the content is " + content);
18 }
19 in.close();
20 } catch (FileNotFoundException e) {
21 e.printStackTrace();
22 } catch (IOException e) {
23 e.printStackTrace();
24 }
25 }
输出结果
1the length of bytes is 4
2the content is word
3the length of bytes is 4
4the content is
5世
6the length of bytes is 3
7the content is 界
说明： test-io.tmp 里面的内容为两行，第一行内容是'word' （没拼错,故意找的这个单词）,第二行内容是'世界'
从代码中可以看到，将内容输出到控制台的时候必须进行编码转换。大家可以尝试把 buffer的大小调整为2个字节看一下效果。懒得尝试的同学，就别试了，结论是中文字符会乱码，原因我已经在代码注释中说了，一个中文字符占三个字节。
假设JDK只提供基于字节流操作，那么每次都要进行字节到字符的转换操作，很麻烦，所以JDK就直接提供了字符流的操作。
下面来具体看看字符流类库的设计，我们还是以输入流举例，因为输出流跟输入流是一一对应关系。
抽象类 Reader 同样有几个比较常用的直接子类。
BufferedReader ：带缓冲功能的字符流，用的比较多。
CharArrayReader ：跟 ByteArrayInputStream 对应，读取内存中的字符数组。
StringReader ：跟 StringBufferInputStream 对应，读取 String 对象，这是读取 String 对象的推荐用法。
Reader 有个比较特殊的直接子类，就是 InputStreamReader 。这是个适配器，可以把字节流转换为字符流。 FileReader 就继承自该类, FileReader 跟字节流的 FileInputStream 对应，表示从文件读取字符。
下面来看简单看一下类的继承关系。
了解完类的继承关系之后，我们看个小例子，看看如何使用字符流的方式读取文件内容。注意我注释掉的代码。
1try {
2
3 //通过 InputStreamReader 适配器，将字节流FileInputStream按照制定的编码方式转换为字符流
4 // BufferedReader in = new BufferedReader(
5 // new InputStreamReader(
6 // new FileInputStream(
7 // new File("test-io.tmp")), "utf-8"));
8
9 //不直接使用适配器，使用FileReader,将使用系统默认的编码
10 BufferedReader in = new BufferedReader(new FileReader(new File("test-io.tmp")));
11 String s;
12 StringBuilder sb = new StringBuilder();
13
14 //按字符读
15 int value;
16 while ((value = in.read()) != -1) {
17 char c = (char) value;
18 System.out.println(c);
19 }
20
21 //按行读取
22 //while ((s = in.readLine()) != null){
23 // sb.append(s);
24 //}
25 //System.out.println(sb.toString());
26 in.close();
27 } catch (FileNotFoundException e) {
28 e.printStackTrace();
29 } catch (IOException e) {
30 e.printStackTrace();
31 }
32}
Java的普通 I/O 就介绍到这里了。Java的 I/O 类库用到了两个经典设计模式，装饰器跟适配器。如果想更深入的理解Java I/O 类库除了多读源码外（感兴趣的读者可以去看看底层源码，JDK如何实现字节到字符的转换的）还需要深入的理解设计模式。
希望这篇文章对你理解Java I/O 有一定帮助，下一篇打算写一下Java的NIO。
