【Java】IO流：字节流 字符流 缓冲流

这篇文章介绍了【Java】IO流：字节流 字符流 缓冲流，分享给大家做个参考，收藏Python资料网收获更多编程知识

接续上文，在这篇文章将继续介绍在Java中关于文件操作的一些内容

【Java】文件操作

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一、“流”的概念

“流”是一个抽象的概念，是对输入输出设备的一种抽象理解，在Java中，对数据的输入输出都是以“流”的的方式进行的。“流”具有方向性，输入流、输出流是相对的。当程序需要从数据源中读入数据的时候就会开启一个输入流，相反，写出数据到某个数据源目的地的时候也会开启一个输出流。数据源可以是文件、内存或者网络等

1.“流”的分类

“流”序列中的数据可以是未经加工的原始二进制数据，也可以是经过一定编码处理后符合某种格式的特定数据，因此java中的“流”分为以下三种流：

1. 按数据流的方向：输入流、输出流
2. 按处理数据单位：字节流、字符流
3. 按功能：节点流，处理流

1.1输入流和输出流

“流”具有方向性，输入流、输出流是相对的
输入与输出是相对于应用程序而言的，比如文件读写，读取文件是输入流，写文件是输出流，这点很容易搞反。

1.2字节流和字符流

字节流：数据流中的最小的数据单元是字节，一次读入读出8位二进制；
字符流：数据流中的最小的数据单元是字符，一次读入读出16位二进制，java中的字符是Unicode编码，一个字符占用两个字节。

字节和字符的区别？

• 存储方式：

字节（byte）：字节是计算机存储和通信的基本单位。在Java中，一个字节由8位（bit）组成，可以表示256种不同的状态，其取值范围是-128到127（对于byte类型）。
字符（char）：字符用于表示文本信息。在Java中，一个字符使用Unicode编码，占用2个字节（16位）的空间。因此，Java中的char类型可以表示65536种不同的字符。

• 表示范围：

由于字节只有8位，其表示范围相对较小，只能表示-128到127之间的整数，或者0到255之间的无符号整数。
字符类型则能表示更多的字符，包括各种文字、符号等。由于使用了Unicode编码，Java中的char类型可以表示世界上几乎所有的字符。

为什么要有字符流？

在UTF8 编码中，“爱吃南瓜的北瓜”对应的字节如下

如果使用字节流处理中文，如果一次读写一个字符对应的字节数就不会有问题，一旦将一个字符对应的字节分裂开来，就会出现乱码了。为了更方便地处理中文这些字符，Java就推出了字符流。

• 用途：

字节主要用于处理二进制数据、图像、音频、视频等非文本信息，或者在网络通信中传输数据。
字符则主要用于处理文本信息，如字符串、文件名、用户输入等。
在Java中，经常需要将字节和字符进行转换。例如，当我们从文件或网络读取数据时，通常得到的是字节流，而我们需要将其转换为字符流以便进行文本处理。这时，可以使用Java提供的解码器（Decoder）将字节转换为字符。反之，当需要将文本信息写入文件或发送到网络时，需要将字符转换为字节，这时可以使用编码器（Encoder）。

• 区别

1. 字节流一般用来处理图像、视频、音频、PPT、Word等类型的文件。字符流一般用于处理纯文本类型的文件，如TXT文件等，但不能处理图像视频等非文本文件。用一句话说就是：字节流可以处理一切文件，而字符流只能处理纯文本文件。
2. 字节流本身没有缓冲区，缓冲字节流相对于字节流，效率提升非常高。而字符流本身就带有缓冲区，缓冲字符流相对于字符流效率提升就不是那么大了。

1.3节点流和处理流

• 节点流：节点流可以从一个特定的数据源读写数据，如FileInputStream ，FileOutputStream ，FileReader ，FileWrite

• 处理流：对一个已存在的流的链接和封装，通过对数据进行处理为程序提供功能强大、灵活的读写功能，例如BufferedInputStream（缓冲字节流）
  

在诸多处理流中，有一个非常重要，那就是缓冲流。

我们知道，程序与磁盘的交互相对于内存运算是很慢的，容易成为程序的性能瓶颈。减少程序与磁盘的交互，是提升程序效率一种有效手段。缓冲流，就应用这种思路：普通流每次读写一个字节，而缓冲流在内存中设置一个缓存区，缓冲区先存储足够的待操作数据后，再与内存或磁盘进行交互。这样，在总数据量不变的情况下，通过提高每次交互的数据量，减少了交互次数。

联想一下生活中的例子，我们搬砖的时候，一块一块地往车上装肯定是很低效的。我们可以使用一个小推车，先把砖装到小推车上，再把这小推车推到车前，把砖装到车上。这个例子中，小推车可以视为缓冲区，小推车的存在，减少了我们装车次数，从而提高了效率。、

需要注意的是，缓冲流效率一定高吗？不一定，某些情形下，缓冲流效率反而更低

字符流自带缓冲区，为什么还要用字符缓冲流?

尽管字符流已经具备了缓冲的功能，但字符缓冲流（BufferedReader 和 BufferedWriter）仍然有其自身的优势和用途：

缓冲区大小可控：字符缓冲流提供了更大的缓冲区，可以指定缓冲区的大小。较大的缓冲区可以一次性读取或写入更多的字符数据，减少对底层I/O的频繁访问，提高读写效率。

提供了更方便的读写方法：字符缓冲流提供了一些便捷的方法，如 readLine() 方法可以一次读取一行数据，而不需要一个字符一个字符地读取。newLine() 方法可以写入一个平台特定的换行符，而不需要手动处理不同操作系统的换行符。

支持预读取和回滚：字符缓冲流具有 mark() 和 reset() 方法，可以在读取过程中进行标记（mark）并在需要时回滚（reset），方便进行预读取和回溯操作。

支持写入自动刷新：字符缓冲流提供了 flush() 方法，用于手动刷新缓冲区，并将缓冲区中的数据强制写入底层的输出流。此外，可以通过设置缓冲区的大小和自动刷新策略（如自动换行符）来控制写入时的刷新。

2.“流”的特性

一般来说关于流的特性有下面几点：

1. 先进先出：最先写入输出流的数据最先被输入流读取到。
2. 顺序存取：可以一个接一个地往流中写入一串字节，读出时也将按写入顺序读取一串字节，不能随机访问中间的数据。（RandomAccessFile除外）
3. 只读或只写：每个流只能是输入流或输出流的一种，不能同时具备两个功能，输入流只能进行读操作，对输出流只能进行写操作。在一个数据传输通道中，如果既要写入数据，又要读取数据，则要分别提供两个流。

3.“流”的分类

“流”存在于Java.io包中，主要包含四种基本的类，InputStream、OutputStream、Reader及Writer类，它们分别处理字节流和字符流：

输入\输出	字节流	字符流
输入	InputStream	Reader
输出	OutputStream	Writer

二、Stream流（字节流）

1.InputStream流

修饰符及返回值类型	⽅法签名	说明
int	read()	读取⼀个字节的数据，返回 -1 代表已经完全读完了
int	read(byte[] b)	最多读取 b.length 字节的数据到 b中，返回实际读到的数量；-1 代表以及读完了
int	read(byte[] b, int off, int len)	最多读取 len - off 字节的数据到 b中，放在从 off 开始，返回实际读到的数量；-1 代表以及读完了
void	close()	关闭字节流

这里InputStream是一个抽象类，不能实例化
因为它不仅仅对应的是硬盘的文件，也可以对应网卡，也可以对应控制台，也可以对应蓝牙设备
这里我们是对文件进行操作，所以我们使用系统提供对应的api来进行实例
这里使用FileInputStream

签名	说明
FileInputStream(File file)	利⽤ File 构造⽂件输⼊流
FileInputStream(String name)	利⽤⽂件路径构造⽂件输⼊流

版本一(无参)read()

版本一（无参类型)读取的是字节类型，那么为什么返回值的类型却是int呢？？？

我们点开read（）的源码

手动翻译一下

从输入流中读取下一个字节的数据。返回值byte为int型，取值范围为0到255。如果由于到达流的末尾而没有可用的字节，则返回值-1。此方法将一直阻塞，直到输入数据可用、检测到流的结尾或抛出异常。子类必须提供此方法的实现。返回:数据的下一个字节，如果到达流的结尾则返回-1。抛出:IOException -如果I/O错误发生。

此处返回int
1）为了有额外的余地来表示“到达末尾”-1这样的情况
2）确保读到的数据都是正数
   原则上来说，字节这样的概念，本应该是无符号的
   但是byte类型，本身是有符号的。
   此处使用int就可以确保读出来的字节都是正数，按照“无符号”来处理了.
3)为什么不用short?
  因为short是两个字节,int是四个字节
  随着计算机技术的发展,空间的存储成本会越来越低的,
  CPU的不断发展,每次读取的数据也会越来越长
  对于32位的CPU来说,一次读取四个字节的数据
  也就是说在计算机内部,如果是short也会转换成int来处理
  对于64位的CPU来说,一次就会读取八个字节的数据
  所以short的使用会逐步的减少,由int来代替,

 public static void main(String[] args) {
        try (InputStream inputStream = new FileInputStream("D:/hello.txt")){
             while (true){
                int b = inputStream.read();

                 if (b == -1){
                     break;
                 }
                 System.out.printf("0x%x ",b);
             }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

版本二 read(byte[] b)

    public static void main(String[] args) {
        try (InputStream inputStream = new FileInputStream("D:/hello.txt")){
            byte[] bytes = new byte[1024];

            int len;
            while (true){
                len = inputStream.read(bytes);
                if (len == -1){
                    break;
                }
                for (int i = 0; i < len; i++) {
                    System.out.printf("0x%x ", bytes[i]);
                }
            }
        }  catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

这两种版本的访问速度谁更快呢?

版本二速度快,
访问硬盘是低效操作,IO次数越多,整体速度就越慢.

版本三 read(byte[] b,int offset,int len)

一次读取一部分,放置到指定位置

在网络协议中,一个报文就是由 报头 和 载荷 组成的
我们就可以用版本三来读取

2.OutPutStream流

修饰符及返回值类型	⽅法签名	说明
void	write(int b)	写⼊要给字节的数据
void	write(byte[] b)	将 b 这个字符数组中的数据全部写⼊ os 中
int	write(byte[] b, int off, int len)	将 b 这个字符数组中从 off 开始的数据写⼊ os 中，⼀共写 len 个
void	close()	关闭字节流
void	flush()	重要：我们知道 I/O 的速度是很慢的，所以，⼤多的 OutputStream为了减少设备操作的次数，在写数据的时候都会将数据先暂时写⼊内存的⼀个指定区域⾥，直到该区域满了或者其他指定条件时才真正将数据写⼊设备中，这个区域⼀般称为缓冲区。但造成⼀个结果，就是我们写的数据，很可能会遗留⼀部分在缓冲区中。需要在最后或者合适的位置，调⽤ flush（刷新）操作，将数据刷到设备中。

OutputStream 同样只是⼀个抽象类，要使⽤还需要具体的实现类。我们现在还是只关⼼写⼊⽂件中，所以使⽤ FileOutputStream

同read一样,也是三个版本

 public static void main(String[] args) {
        try (OutputStream outputStream = new FileOutputStream("D:/hello.txt",true)) {
            outputStream.write(97);
            outputStream.write(98);
            outputStream.write(99);
            outputStream.write(100);
            outputStream.write(101);
            outputStream.write(102);
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

这里的参数中多了一个Boolean类型
这个是打开了"追加写"的意思
这个功能是在对文件内容进行写入时,不会清空上次文件中的内存
会在文件的原有内容中继续写入,

为什么要将InputStream OutputStream流的创建写入到try（） {} catch 里的小括号内呢？

这是因为我们在创建流后，在流使用后，需要对流进行关闭，在写入到try后面的小括号内时，我们就可以不必手动的来进行流的关闭，减少一些情况下我们忘记关闭流这一操作带来的风险，
这一语法被称作 try–with–resources。
但并非所有的类都可以放到try（）的括号里，这个类必须实现Closeable接口
我们点开InputStream的源码

可以看到，InputStream流实现了closeable接口。

三、Stream流（字符流）

reader

点开read（）的源码

手动翻译一下

读取单个字符。此方法将阻塞，直到字符可用、发生I/O错误或到达流的末尾。想要支持有效的单字符输入的子类应该覆盖这个方法。返回:读取的字符，取值范围为0到65535 (0x00-0xffff)的整数，如果到达流的末尾则为-1。抛出:IOException -如果发生I/O错误

取值范围为0到65535 (0x00-0xffff)也就是读取两个字节

public static void main(String[] args) {
        try(Reader reader = new FileReader("D:/hello.txt")){
               while (true){
                   int c = reader.read();

                   if (c == -1){
                       break;
                   }
                   char ch = (char)c;
                   System.out.printf("%c",ch);
               }
        }catch (IOException e){
            e.printStackTrace();
        }

那么不出意外的话，意外就要来了
Java中的char是两个字节，而汉字确实三个字节
但是read（）确可以正常读取，这是为什么呢？

在文件中的原始数据，是三个字节一个字符
read在读取操作时，能够识别文件时UTF8编码方式
读的是三个字节，返回成一个char的时候，把UTF8编码方式，转换成了Unicode，在Unicode中一个汉字是两个字节的
链接: Java中一个汉字究竟占几个字节？

在Java内部，
char用的是Unicode
String里面默认是UTF8

那么有小可爱就可能会提出疑问了
那直接用char来接收read的返回值不就可以了，还可以省去转换这一步

这样做肯定有这样做的道理
char只能表示两个字节
文件末尾的-1怎么表示呢？

writer

writer也存在“追加写”

四、 scanner

Scanner scanner = new Scanner(System.in);

你是否好奇Sacnner里的System.in到底是什么
我们点开in的源码

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