Java I/O 原理分析

IO 是什么

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• 作用：和外界做数据交互。
• I/O是什么：输入，输出。
  • 输入：从程序外部读数据到程序内部。
  • 输出：从程序内部写数据到程序外部。
  • 程序内部：内存。比如 String string = “xxx”，string 就是程序内部。
  • 程序外部：程序之外的东西。一般来说就是本地文件和网络；还有就是程序跟外部程序交互，外部程序也是“我的程序“的外部
  • 从哪往哪输出：程序内部写数据到程序外部。打个比方，“我” 跟 “书本”，“我” 就是程序内部，“书本” 是程序外部，“我” 要从 “大脑”（内存）里面把 “一句话”（数据）写（write）到 “书本” 上。对于“我”来说就是输出。
  • 从哪往哪输入：程序内部从程序外部读数据。跟上面一样，“我”（内部）要从 “书本”（外部）上读（read）“一句话”（数据）到“大脑”（内存）中。对于 “我” 来说就是输入。

IO 怎么用？

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插管1

了解了是什么，接下来看怎么用。很简单，如图，就是插管子，也就是用流，对流进行操作。比如：往文件（外部）上插一根输出管 new FileOutputStream("文件路径") ，然后 “内部” 往管子上写数据。

try {
    FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("./new.txt")
    outputStream.write('a');
} catch (FileNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

上面代码就是一个最简单的输出操作，当然这是不完整。大家都知道，文件打开了就必须要关闭，那么什么是文件打开，什么是文件关闭，为什么要关闭呢？

• 文件的打开：在内存里面腾出来一块专门的地方用来保存文件的相关信息（什么文件，存在哪，多大，读到哪一行。用来方便读写），把这些信息放到内存里面就是文件的打开。放到内存里面就会占内存，占系统资源。
• 文件的关闭：读写完文件之后要及时的把文件信息给释放，把内存给释放出来。这个释放的过程就是文件的关闭。具体来说就是各种参数，各种引用什么的全部扔掉，该扔的扔该销毁的销毁，把内存腾出来，把资源腾出来。

那么为什么要关闭就明显了，然后把关闭给加上就是下面这样了：

FileOutputStream outputStream = null;
try {
    outputStream = new FileOutputStream("./new.txt");
    outputStream.write('a');
} catch (FileNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
} finally {
    if (outputStream != null) {
        try {
            outputStream.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

为什么要写在 finally 而不写在 try 里面呢？因为如果代码有问题就有可能执行不到 close() 了。

但这样好麻烦啊，而且都是固定代码，又不能减少。别着急，Java7 引入了新方式，在 try 里面就可以直接做回收。如下：

try (FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("./new.txt")) {
    outputStream.write('a');
} catch (FileNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

当然，能写在 try() 里面的有个限制，必须是实现了 Closeable 接口的类。

能插输出的管子来写，肯定也能插输入的管子来读：

try (FileInputStream inputStream = new FileInputStream("./new.txt")) {
    System.out.print((char) inputStream.read());
} catch (FileNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

接下来介绍插多根管子的情况，看图：

插管2

输出，写的操作

try (FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("./new.txt");
     OutputStreamWriter writer = new OutputStreamWriter(outputStream);
     BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(writer)) {
    bufferedWriter.write("x");
} catch (FileNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

输入，读的操作

try (FileInputStream inputStream = new FileInputStream("./new.txt");
     InputStreamReader reader = new InputStreamReader(inputStream);
     BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(reader)) {
    System.out.println(bufferedReader.readLine());
} catch (FileNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

可以看到这就是一个管道插在另一个管道上，最后插在文件上，进行文件的读写操作。代码中用到了缓冲（buffer），在 BufferedReader 和 BufferedWriter 源码中都会有定义这个缓冲的大小：

...
private static int defaultCharBufferSize = 8192;
...

• 那么 buffer 又是做什么用的呢？
  就跟字面意思一样 “缓冲”。
  比如：程序内部要从程序外部读数据，就会跟 buffer 说：“我要读 1 个数据。”接着 buffer 就会跟后面的 “管子” 讲：“我要 8192 个数据。” 最后，在缓冲中就会有8192个数据（假设文件中数据足够多），只把1个数据传给了程序内部。这样的话，当下次程序内部要再次读数据的时候，就会直接在 buffer 中读。
• 为什么 buffer 要这么设计？
  为了成本，为了效率。因为每次读写文件、网络数据都会非常的耗时间耗性能。

就上面的代码而言，BufferedReader 用到了缓冲，当然 BufferedWriter 也用了缓冲，只有当 buffer 中的数据大小达到 8192 个的时候才会往文件中写。

• 为什么我明明只写了一个 "x" 文件中也能看到数据呢？
  首先要说一下 flush() 这个方法。
  假如现在有这样一个需求，要求每次往 buffer 中写的数据不管大小，都要一股脑的写到文件上。那我如果要写的数据达不到 8192 个的时候就写不到文件里面了。
  这个时候就要用到 flush 了，flush 的意思是：冲马桶，冲厕所。“唰”的一下全部冲过去了。
  但是上面代码中并没用到 flush，是因为当文件关闭的时候会有自动的 flush 行为。

那如果是自动的话，是不是说每次都可以不写 flush 呢？也不是，接下来介绍一种要用到 flush 的情况：

// 模拟一个服务器，读到什么内容就写什么内容返回
try {
    ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
    // 等待别人的请求，阻塞式的
    Socket socket = serverSocket.accept();
    BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));
    BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
    String data;
    while (true) {
        data = reader.readLine();
        writer.write(data);
        // 冲马桶行为。这个时候就不能等关闭的时候自动冲了。
        writer.flush();
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

最后说一下文件的复制，怎么做文件复制呢？原理就是一个字节一个字节的搬。从一个文件读数据，写到另一个文件去。

try (FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("./new_copy.txt");
     FileInputStream inputStream = new FileInputStream("./new.txt")) {
    byte[] bytes = new byte[1024];
    int size;
    // 每次记录读取到的数据 size
    while ((size = inputStream.read(bytes)) != -1) {
        outputStream.write(bytes, 0, size);
    }
} catch (FileNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

这里需要考虑一个情况，当读到最后一次，剩余数据的大小不足1024的时候，bytes 中会有残留的上一次的数据。比如：new.txt 中一共有 1025 个，第一次读了1024，第二次读的时候本应该只有一个，但是除了 0 位置上的数据变了之外，后面所有的数据还是上一次读到的数据。所以要记录读到的大小。

总结：

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本文介绍了 Java I/O 是什么，怎么用，原理就是插管子（通过流进行对文件或网络的读写操作）。也可以往管子上再插管子。理解了这些，我相信以后再也不要在用到 I/O 的时候到网上复制粘贴了。

（ps：原本来准备把 NIO原理，Okio使用也做个总结，想不到，想不到。。。输出比输入难啊 - -）