Java 每日一刊（第20期）：I/O 流

前言

这里是分享 Java 相关内容的专刊，每日一更。

本期将为大家带来以下内容：

1. 流的起源及概念
2. Java I/O 流概述
3. 字节流
4. 字符流
5. 转换流
6. 缓冲流
7. 对象流与序列化
8. NIO（New I/O）
9. 流的关闭与资源管理

流的起源及概念

流的概念最早来自于操作系统中的 I/O 操作，尤其是 Unix 系统中“一切皆文件”的设计理念。操作系统将设备、文件、网络等各种数据源和目标统一视为文件。无论是读文件、读设备数据，还是网络通信，操作系统提供了一致的接口。为了让程序员不必关心底层复杂的数据操作，流的概念应运而生，流屏蔽了底层的数据传输细节。

在 Java 中，I/O 流（Input/Output Stream）是对数据传输的一种抽象，程序员通过操作流来读写数据，无需关心数据来自哪里或发送到哪里。流是一种有序的数据传输方式，就像水流一样，数据从源头流向目的地。

什么是流?

流是一个抽象的概念，表示从数据源到目标的 有序、连续、单向 的数据传输。它可以用来处理不同类型的数据，比如文件、网络连接、键盘输入等。Java 的流机制使得处理不同的数据源和目标时，操作非常一致。

流的关键特性：

• 单向性：流只能在一个方向上传输数据，要么是输入流（读数据），要么是输出流（写数据）。
• 顺序性：数据按顺序从源传递到目的地，不允许跳跃式访问。
• 实时性：数据是逐个传输的，程序不需要一次性把所有数据加载到内存中，适合处理大数据量。

Java I/O 流概述

Java 中的 I/O 流主要分为两类：

1. 字节流（Byte Stream）：以字节为单位读写数据。
2. 字符流（Character Stream）：以字符为单位读写数据。

此外，Java 还提供了 缓冲流、转换流、对象流 等处理流，进一步提升 I/O 操作的效率和功能。自 Java 1.4 起，还引入了 NIO（New I/O）以增强高效并发操作。

流的其他分类方式：

字节流

字节流是以 字节 为单位进行数据读写的流，适用于处理所有类型的数据，包括文本文件和二进制文件（如图片、音频、视频等）。字节流不关心数据的内容，仅仅按照字节操作数据。

字节流的两个主要抽象类：

• InputStream：字节输入流，用于从数据源读取字节数据。
• OutputStream：字节输出流，用于将字节数据写入目标。

常用子类：

• FileInputStream 和 FileOutputStream：从文件中读取字节数据或向文件写入字节数据。
• ByteArrayInputStream 和 ByteArrayOutputStream：在内存中操作字节数组，常用于临时缓冲数据。
• BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream：为字节流添加缓冲，提高读写效率。

使用字节流读取文件：

try (FileInputStream fis = new FileInputStream("example.txt")) {
    // try-with-resources 语法：
    // 1. `FileInputStream` 是字节输入流，用于从文件中读取字节数据。
    // 2. `new FileInputStream("example.txt")` 打开名为 "example.txt" 的文件，以字节流的方式读取文件内容。
    // 3. `fis` 是 FileInputStream 的实例，用来逐字节地读取文件内容。
    // 4. try-with-resources 保证了在 try 语句块结束时，流会被自动关闭，避免手动关闭和可能的资源泄漏问题。

    int data;
    // 定义一个整型变量 `data` 用来存储每次从流中读取到的字节数据。
    // `InputStream.read()` 方法每次会返回一个 0 到 255 之间的整数，表示读取到的字节，
    // 当读到文件末尾时，`read()` 返回 -1，表示没有更多数据可读。

    while ((data = fis.read()) != -1) {
        // 循环条件：`fis.read()` 每次从文件中读取一个字节并将其赋值给 `data` 变量。
        // 当 `data` 不等于 -1 时，继续读取并处理文件内容；当读取到文件末尾时，退出循环。

        System.out.print((char) data);
        // 将读取到的字节数据 `data` 强制转换为字符 `(char)` 类型，然后输出到控制台。
        // 这对于读取文本文件时是有意义的，能够将字节直接转换为字符并输出。
    }
} catch (IOException e) {
    // 捕获可能的 I/O 异常，如文件不存在、读取错误等。
    e.printStackTrace();
    // `e.printStackTrace()` 打印异常的堆栈信息，方便调试和错误定位。
}

在这个例子中，程序逐个字节地读取文件内容并输出。字节流适用于处理非文本文件，比如图片、音频等。

字节流的适用场景：

• 处理二进制文件（如图片、音频、视频等）。
• 需要精确控制数据的字节读写，而不涉及字符编码转换。

字符流

字符流是以 字符 为单位进行数据读写的流，专门用于处理文本数据。字符流能够根据编码规则将字节转换为字符，自动处理字符编码问题。

字符流的两个核心抽象类：

• Reader：字符输入流，用于读取字符数据。
• Writer：字符输出流，用于写入字符数据。

常用子类：

• FileReader 和 FileWriter：用于从文件中读取字符数据或向文件中写入字符数据。
• BufferedReader 和 BufferedWriter：带有缓冲功能的字符流，提供高效的读写操作，并支持按行读取或写入文本。

使用字符流按行读取文件：

try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader("example.txt"))) {
    // try-with-resources 语法：
    // 1. `FileReader` 是字符输入流，专门用于从文件中读取字符数据，这里用于读取 "example.txt" 文件。
    // 2. `BufferedReader` 是带缓冲功能的字符输入流，它包装了 `FileReader`，目的是提供更高效的字符读取。
    //    `BufferedReader` 能够一次性读取较大的块数据，并提供像 `readLine()` 这样的高级方法。
    // 3. `reader` 是 `BufferedReader` 的实例，负责从文件中按行读取数据。
    // 4. try-with-resources 保证了在 `try` 块结束时，无论是否抛出异常，`reader` 都会被自动关闭，避免资源泄漏。

    String line;
    // 定义一个字符串变量 `line`，用于存储每次从文件中读取的一行内容。

    while ((line = reader.readLine()) != null) {
        // 循环条件：`reader.readLine()` 读取文件中的一行文本，并将结果赋值给 `line`。
        // 如果 `line` 不为 `null`，则表示读取成功，继续处理；当 `readLine()` 返回 `null` 时，表示已经读到文件末尾，退出循环。

        System.out.println(line);
        // 将读取到的每一行内容输出到控制台。
    }
} catch (IOException e) {
    // 捕获可能的 I/O 异常，如文件不存在、读取错误等。
    e.printStackTrace();
    // `e.printStackTrace()` 输出异常的堆栈跟踪信息，便于调试和定位错误。
}

这个例子展示了如何使用 BufferedReader 按行读取文本文件。字符流可以方便地处理多语言文本文件，自动处理编码转换。

字符流的适用场景：

• 处理文本文件，尤其是多语言文本。
• 需要自动处理字符编码转换的场景，如国际化应用。

转换流

转换流 用于将字节流转换为字符流，或者将字符流转换为字节流。因为字节流不关心字符编码，而字符流需要根据编码转换字节数据，所以转换流对于处理不同编码格式的文本非常有用。

主要类：

• InputStreamReader：将字节输入流转换为字符输入流，可以指定字符编码。
• OutputStreamWriter：将字符输出流转换为字节输出流，也可以指定字符编码。

使用 InputStreamReader 读取带有编码的文本文件：

try (InputStreamReader isr = new InputStreamReader(new FileInputStream("example.txt"), "UTF-8");
     // 1. `FileInputStream("example.txt")`：字节输入流，用于从文件 "example.txt" 中以字节方式读取数据。
     // 2. `InputStreamReader` 是一个字节流到字符流的转换流，它将字节流转换为字符流。
     //    它接收一个字节输入流（如 `FileInputStream`），并将从中读取的字节按照指定的字符编码（"UTF-8"）转换为字符。
     // 3. `"UTF-8"`：指定字符编码，确保读取的字节数据被正确转换为字符。如果文件内容使用 UTF-8 编码，这样转换能正确处理多字节字符（如中文）。
     // 4. `isr` 是 `InputStreamReader` 实例，用于逐字符读取数据。

     BufferedReader reader = new BufferedReader(isr)) {
     // 5. `BufferedReader` 是带有缓冲区的字符流，用来增强 `InputStreamReader` 的功能。
     //    `BufferedReader` 一次性读取较大块的字符数据，能显著提高读取性能，尤其适合按行读取数据。
     // 6. `reader` 是 `BufferedReader` 实例，用于从流中按行读取文本数据。

    String line;
    // 定义一个字符串变量 `line`，用于存储每次从文件中读取的一行内容。

    while ((line = reader.readLine()) != null) {
        // 循环条件：`reader.readLine()` 方法用于从文件中读取一行文本，并将结果赋值给 `line`。
        // 如果 `line` 不为 `null`，则表示成功读取到一行内容，继续处理；当读取到文件末尾时，`readLine()` 返回 `null`，循环终止。

        System.out.println(line);
        // 输出读取到的每一行文本内容到控制台。
    }
} catch (IOException e) {
    // 捕获可能的 I/O 异常，如文件不存在、读取错误、编码不正确等。
    e.printStackTrace();
    // `e.printStackTrace()` 会打印出异常的堆栈跟踪信息，便于调试和错误定位。
}

转换流的适用场景：

• 需要处理特定编码格式的文件时，比如从网络下载的文件可能采用不同的编码。
• 在需要将字符数据转换为字节流以进行存储或传输时。

缓冲流

缓冲流 为基本的字节流或字符流添加了缓冲区，从而提高读写效率。它通过减少与底层系统的交互次数来加快数据的处理，尤其是在处理大文件时，缓冲流能够显著提高性能。

主要缓冲流类：

• BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream：为字节流提供缓冲功能，提高字节数据的读写效率。
• BufferedReader 和 BufferedWriter：为字符流提供缓冲功能，支持按行读取或写入文本。

使用缓冲流写入数据：

try (BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new FileWriter("output.txt"))) {
    // 1. `FileWriter("output.txt")`：字符输出流，用于向文件 "output.txt" 写入字符数据。如果文件不存在，会自动创建该文件。
    // 2. `BufferedWriter` 是带缓冲区的字符输出流，包装了 `FileWriter`，其作用是通过缓冲区减少对文件的直接写入操作，提高写入效率。
    // 3. `writer` 是 `BufferedWriter` 的实例，用于将字符数据写入文件。
    // 4. try-with-resources 语法保证在 `try` 块结束时，`BufferedWriter` 会自动关闭，避免资源泄漏。

    writer.write("这是缓冲流的写入示例");
    // 5. `writer.write()`：通过 `BufferedWriter` 写入一行字符串到文件中。这段代码将 "这是缓冲流的写入示例" 写入到 "output.txt" 文件。
    //    字符数据会先写入 `BufferedWriter` 的缓冲区，并在适当的时候（如缓冲区满或者流关闭时）刷新到文件中。

    writer.newLine();
    // 6. `writer.newLine()`：写入一个行分隔符（通常是换行符，如 `\n`），表示当前行结束，换到下一行。
    //    `newLine()` 方法可以根据操作系统自动选择合适的换行符，保证跨平台的一致性（如 Windows 上是 `\r\n`，Linux 和 macOS 上是 `\n`）。

    writer.write("使用缓冲流可以提高效率");
    // 7. `writer.write()`：再次通过 `BufferedWriter` 写入另一行字符串到文件中。
    //    这一行写入的是 "使用缓冲流可以提高效率"。

} catch (IOException e) {
    // 捕获可能的 `IOException` 异常，例如文件无法创建、写入时发生错误等。
    e.printStackTrace();
    // `e.printStackTrace()` 打印出异常的详细堆栈跟踪信息，帮助开发者调试和定位问题。
}

缓冲流的适用场景：

• 处理大文件时，减少读写次数，提高效率。
• 需要按行读取或写入文本的场景。

对象流与序列化

对象流 允许 Java 程序将对象进行序列化（即将对象转换为字节流），从而可以将对象写入文件或通过网络传输。序列化的过程是将对象的状态保存为字节序列，而反序列化则是将字节序列恢复为对象。

主要类：

• ObjectOutputStream：用于将对象序列化并写入输出流。
• ObjectInputStream：用于从输入流中读取序列化对象并将其反序列化。

对象序列化与反序列化：

// 序列化对象到文件
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("object.dat"))) {
    // 1. `FileOutputStream("object.dat")`：字节输出流，用于将数据写入文件 "object.dat"。如果文件不存在，它会自动创建。
    // 2. `ObjectOutputStream`：对象输出流，用于将对象转换为字节序列，并将其写入底层输出流（这里是 `FileOutputStream`）。
    //    它支持序列化（将对象转换为字节序列，便于存储或传输）。
    // 3. `oos` 是 `ObjectOutputStream` 的实例，负责将对象写入文件。

    oos.writeObject(new String("对象序列化示例"));
    // 4. `oos.writeObject()`：将一个对象写入到 `object.dat` 文件中。
    //    这里序列化的对象是 `String` 类型，内容为 "对象序列化示例"。
    //    对象序列化的前提是该对象实现了 `Serializable` 接口，而 `String` 类已经实现了该接口。
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
    // 捕获可能的 I/O 异常，例如文件写入错误、权限问题等，并输出异常信息以便调试。
}

// 从文件反序列化对象
try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("object.dat"))) {
    // 1. `FileInputStream("object.dat")`：字节输入流，用于从文件 "object.dat" 中读取数据。
    // 2. `ObjectInputStream`：对象输入流，用于从输入流中读取字节序列，并将其反序列化为对象。
    //    它负责将文件中的字节数据还原为 Java 对象。
    // 3. `ois` 是 `ObjectInputStream` 的实例，用于从文件中读取对象。

    String str = (String) ois.readObject();
    // 4. `ois.readObject()`：从文件中读取对象，并返回一个 `Object`。由于读取的对象是 `String` 类型，
    //    需要将其强制转换为 `String` 类型，保存到 `str` 变量中。
    //    该操作是反序列化，目的是将字节序列还原为原来的 Java 对象。

    System.out.println(str);
    // 5. 打印反序列化得到的对象内容，这里会输出 "对象序列化示例"。
} catch (IOException | ClassNotFoundException e) {
    // 6. 捕获两个可能的异常：
    //    - `IOException`：文件读取错误等 I/O 问题。
    //    - `ClassNotFoundException`：当反序列化时找不到对应的类定义时抛出，例如源文件中的类已被删除或修改。
    e.printStackTrace();
    // 输出异常信息以便调试。
}

序列化的适用场景：

• 保存对象状态到文件中，便于下次启动时恢复。
• 在网络传输中发送复杂对象。

NIO（New I/O）

NIO 是 Java 1.4 引入的高效 I/O 操作模型，提供了非阻塞 I/O 的支持。它通过通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行数据操作，适合处理高并发和大数据量的场景。

主要组件：

• 通道（Channel）：通道是双向的，可以同时进行读写操作。
• 缓冲区（Buffer）：用于存储数据，通道与缓冲区配合进行数据传输。
• 选择器（Selector）：可以监听多个通道，实现多路复用。

使用 NIO 读取文件：

try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("example.txt"))) {
    // 1. `Paths.get("example.txt")`：使用 NIO（New I/O）包中的 `Paths` 类获取文件路径，这里表示文件 "example.txt"。
    // 2. `FileChannel.open()`：打开文件通道 `FileChannel`，这是 NIO 中的一种 I/O 通道，用于文件的读写操作。它比传统的 I/O 流更加高效，特别是处理大文件时。
    //    `FileChannel` 是基于字节的通道，用于从文件中读取或向文件中写入字节数据。
    // 3. `fileChannel` 是 `FileChannel` 实例，用于对文件进行读取操作。

    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    // 4. `ByteBuffer.allocate(1024)`：分配一个大小为 1024 字节的 `ByteBuffer`，这是 NIO 中的一个缓冲区，用于暂存从文件中读取的字节数据。
    //    `ByteBuffer` 是一个字节缓冲区，支持在读取和写入之间切换。
    //    `buffer` 是 `ByteBuffer` 实例，将用于从文件中读取数据并临时存储。

    while (fileChannel.read(buffer) > 0) {
        // 5. `fileChannel.read(buffer)`：从文件通道中读取数据，并将数据存入 `buffer` 缓冲区。
        //    返回值为读取的字节数，如果文件还未读完，返回值大于 0；如果已读取到文件末尾，返回值为 -1，循环终止。
        //    每次读取时，`buffer` 中会填充读取的字节数据。

        buffer.flip();
        // 6. `buffer.flip()`：将缓冲区从“写模式”切换到“读模式”。在写模式下，数据被写入缓冲区；在读模式下，数据被从缓冲区中读取。
        //    `flip()` 会将缓冲区的当前位置设置为 0，同时将限制设置为之前写入数据的位置，准备好读取操作。

        while (buffer.hasRemaining()) {
            // 7. `buffer.hasRemaining()`：检查缓冲区中是否还有未读的字节数据。如果有剩余数据，返回 `true`，否则返回 `false`。
            //    循环的目的是读取缓冲区中的所有数据，直到全部读取完。

            System.out.print((char) buffer.get());
            // 8. `buffer.get()`：从缓冲区中读取一个字节数据，并将缓冲区的当前位置向前移动一位。
            //    这里将读取到的字节转换为字符并输出到控制台（假设文件中存储的是文本数据）。
        }

        buffer.clear();
        // 9. `buffer.clear()`：清空缓冲区，准备下一轮的数据读取。`clear()` 并不会真正清除数据，而是将缓冲区的当前位置和限制重置，准备接受新的数据写入。
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
    // 捕获 I/O 异常（如文件不存在、读写错误等），并打印异常的堆栈跟踪信息，方便调试和定位问题。
}

NIO 的适用场景：

• 处理大文件的读写。
• 高并发网络编程，如聊天室、服务器应用。

流的关闭与资源管理

流在使用时会占用底层系统资源（如文件句柄、网络连接等），如果不及时关闭，可能导致：

• 资源泄漏：系统资源耗尽。
• 数据丢失：未关闭的输出流可能导致数据未完全写入文件。
• 文件锁定：未关闭的文件流会导致文件无法被其他程序访问。

如何正确关闭流？

• 手动关闭：调用 close() 方法，确保在 finally 中进行。
• try-with-resources：Java 7 引入的特性，自动关闭流。

try (FileInputStream fis = new FileInputStream("example.txt")) {
    // 1. `new FileInputStream("example.txt")`：打开名为 "example.txt" 的文件，并创建一个 `FileInputStream` 实例 `fis`。
    //    `FileInputStream` 是一个字节输入流，用于从文件中读取原始字节数据。如果文件不存在，抛出 `FileNotFoundException`。
    // 2. `fis`：`FileInputStream` 实例，表示已经打开的文件，准备进行数据读取操作。
    
    // 在这里可以通过 `fis.read()` 方法读取文件内容，比如读取字节或字节数组等。
    // 读取的具体内容并没有显示在此代码中，但 `FileInputStream` 主要用于读取二进制文件（如图片、音频）或简单文本文件的字节数据。

} catch (IOException e) {
    // 3. 捕获所有可能的 I/O 异常，如文件读取错误、文件权限问题等。
    //    `IOException` 是输入/输出异常的父类，处理文件无法读取、流无法打开等问题。
    
    e.printStackTrace();
    // 4. `e.printStackTrace()`：打印异常的详细堆栈跟踪信息，帮助开发者定位问题，便于调试。
}

// 5. `try-with-resources`：在 Java 7 引入的一种语法结构，用于自动管理资源。
//    在 `try` 块结束后（无论是否抛出异常），`FileInputStream` 会自动关闭，无需手动调用 `fis.close()`。
//    自动关闭资源避免了资源泄漏的问题，特别是在处理文件或网络连接等资源时。

本期小知识

System.out.println() 是我们最常用的输出语句之一，但实际上它背后使用的是 PrintStream（一种输出流）。System.out 是 PrintStream 的一个静态实例，表示标准输出流，默认指向控制台。你可以将其重定向到文件或其他输出设备。

System.out.println("这行文本会输出到 log.txt 中");