Java IO库梳理-柚子小站

我在第一次看Java的时候，看到IO的部分，说要区分字节流和字符流，字符流使用XXX类，字节流要使用XXX类，然后就抛出一堆类来谈使用方法，类的名字还比较相似，结果就被搞晕了。这一次通过看《Java编程思想》，总算搞清楚了JavaIO库的结构，其实很简单。这里就来理一下这个一身酸腐老学究气的IO库。这里的IO库指的是老的IO库，不是Java 4开始引入的NIO。

整体结构
底层输入类
装饰输入类
如何使用
输出的装饰类和底层类
Reader和Writer
Reader
Writer
总结

整体结构

Java IO库令人迷惑的地方在于使用了装饰器的结构，就是一个类需要使用另外一个类作为构造器参数，而装饰类和底层类都继承自相同的类，导致创建一个IO对象可能需要创建两到三个嵌套的类，这和很多语言里直接通过函数打开一个文件对象很不同。这里笔者先不区分字节流和字符流以及对应的类，而是从装饰类和被装饰类来区分。在具体获得一个IO流对象的时候，写法是这样的：

IO流对象 = new 装饰类(new 底层类)

可见问题的关键在于搞清楚哪些是装饰类，哪些是底层类。下边就以输入为例来看一下装饰类和底层类。

底层输入类

常用的底层类根据来源有如下：

ByteArrayInputStream - 输入字节数组
StringBufferInputStream - 输入字符串
FileInputStream - 从文件输入，即打开一个文件
PipedInputStream - 管道输入流，构造器接受一个管道输出流

这些类都是继承自InputStream，有些朋友会说，这些都是字节流，那字符流呢。现在请先抛弃字节和字符流的概念，而是先知道这些是底层类。学过计算机底层知识的朋友应该也知道，基础的IO都是按字节来的，字符尤其是多字节字符编码只是在字节基础上的进一步抽象，所以这里暂时不要考虑字节还是字符流的区分，把重点放到Java IO包的使用方法和组成上去。我把这些类也叫做内层类。有内层类自然就有外层类了。

装饰输入类

我把这一类东西称作外层类，就是使用一个内层类对象作为构造器参数，由于内层类对象本身已经是一个流了，外层类相当于你要选择以何种方式去使用流，不同的外层类提供了不同的使用方式（也就是方法）。来看看常用的外层类：

DataInputStream - 从流中读取基本类型数据
BufferedInputStream - 采用缓冲区方式读写
LineNumberInputStream - 有一些方法来跟踪输入流中的行号

这些类同样也继承自InputStream，这也是令人迷惑的地方之一。所以不要去想继承关系，就记住这个是套在底层类外边的类。从这里开始我就混合使用外层类=装饰类，内层类=底层类来解说了。

如何使用

知道了装饰类和底层类，就可以根据需要来选择使用了。分为三步：

1 选择来源对应的底层类
2 选择装饰类
3 套壳得到IO对象

例如：想要从一个ASCII编码的文本文件 test.txt 里读出所有字符：

1 选择来源，是一个文件，选用FileInputStream类
2 既然是ASCII编码，每个字节就是一个字符，因此需要读取基础数据，则选用DataInputStream
3 套壳，外层是DataInputStream，内层是FileInputStream，写成代码如下：
```
    DataInputStream in = new DataInputStream(new FileInputStream("test.txt"));
```

代码一层一层抽象的本质就是一层一层套壳，在这里又得到了充分说明。再例如：想要从一个二进制文件 data.out 中采用缓冲的方式读取基本类型数据，已经知道这个文件按照顺序存放了一个int类型，一个long类型，四个ASCII字符。

1 选择来源，这里依然是FileInputStream类
2 这里需要分析一下，要采取缓冲的方式读取基本类型数据，则我们最后要操作的是读取基本类型数据的API，但还要带有缓冲，因此先将带缓冲的装饰类BufferedInputStream套在FileInputStream外边，然后在最外层套上符合我们需求的DataInputStream类。
3 进行套壳，按照上一步的分析，代码如下：
```
    DataInputStream in = new DataInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream("data.out")));
```
之后就可以调用in.readInt()之类方法来获取其中的基本类型数据。

现在回头来看装饰类和底层类，就清晰很多了，装饰类的构造器接受的都是InputStream对象，所以可以多层套壳。读者有兴趣的话可以实验一下，再套几层DataInputStream和BufferedInputStream，代码依然可以正常工作。而底层类的构造器接受的就不是InputStream对象了。底层类和装饰类都继承自InputStream的原因是让装饰类可以有效的工作。所以按照我的分析，脑子里可以不用过多的关注IO库里各个类的继承体系，而是根据具体需要，直接来选用就可以了。

输出的装饰类和底层类

有了上边输入流的分析，对于输出流也是一样的，只要区分出底层类和装饰类即可，这里简单罗列一下：输出流的底层类：

ByteArrayOutputStream - 字节数组输出，实际上是在内存中创建一个缓冲区输出
FileOutputStream - 输出到文件
PipedOutputStream - 管道输出流，构造器接受一个管道输入流

输出流的装饰类：

DataOutputStream - 向流中写入基本类型数据
PrintStream - 产生格式化输出，有print()和println()两个方法
BufferedOutputStream - 带缓冲区的写操作，带有flush()方法用于清空缓冲区并实际执行写操作

使用方法实际上和之前的输入和输出流相同，也是先选内层类，再选外层类，套壳组装得到想要的IO流对象。这样就把Java IO包里的所有类分成了内层类和外层类，组装IO对象的时候就会清晰很多。

Reader和Writer

Reader和Writer提供了针对Unicode字符的支持，是面向字符的类。我一直强调不要一开始就用字符流和字节流的方式来学习IO库，而是使用内外层类的方式。到了Reader和Writer就可以发现，与其区分字节流与字符流来割裂的看待InputStream+OutputStream和Reader+Writer，更好的方式是探究其在背后使用装饰类和底层类设计思想的一致性。对于上边的所有输入和输出流的底层类，Java 提供了对应的Reader和Writer类；对于装饰类，同样也提供了对应的Reader和Writer类。这意味着要读取和写入字符的时候，其实就是重新挑选对应的Reader和Writer类即可，外层套内层的装饰器设计模式理念是不变的。

Reader

常见的Reader底层类有：

FileReader - 读取文件
StringReader - 读取字符串
CharArrayReader - 读取字符数组
PipedReader - 读取管道数据

可见这一批类，实际上与基于字节的那批底层类是同一个体系的。常见的Reader装饰类有：

BufferedReader - 通用的带缓冲读取字符
LineNumberReader - 带有行号API的读取

这里没有按照基本类型读取的装饰类，因为Reader是基于字符的。例子：想从一个文本文件 story.txt 中按行读取字符：

1 选择底层类，很显然是FileReader
2 BufferedReader就带有readLine功能，也没有其他的读取类可以选，带有行号的API的类其实不如自己操作行号方便。
3 进行套壳，代码如下：
```
    BufferedReader in = new BufferedReader(new FileReader("story.txt"));
```
之后可以使用in.readLine()来读取行，读取的结果不会包括换行符。如果读取到末尾，会返回null，因此使用一个循环就可以不断读取：
```
    while ((s = in.readLine()) != null) {
        doSomething(s)
    }
```

Writer

按照同样的理念来分析，Writer的底层类有：

FileWriter - 写文件
StringWriter - 写字符串
CharArrayWriter - 写字符数组
PipedWriter - 向管道中写入字符

Writer的装饰类有：

BufferedWriter - 通用的带缓冲写字符
PrintWriter - 格式化输出，带有print()和println()方法

例子：向一个文件 test.data 中带缓冲写字符串，写完之后自动换行：

1 需要写文件，底层类选用FileWriter
2 写的话一般都需要缓冲，否则性能太差，可见需要先套一个BufferedWriter，这里可以每次加上一个换行符写入。但为了省事，我们可以再套一层PrintWriter

3 代码如下：

    PrintWriter out = new PrintWriter(new BufferedWriter(new FileWriter("test.data")));

只要理念搞清楚，套再多的壳也不怕。这里还一个小要点就是PrintWriter提供了一个简便的构造器，可以直接使用 new PrintWriter(String filename) 来创建带有缓冲写入和格式化写入功能的输出流。其他的装饰流不具备这个功能。

总结

在看Java IO的时候，确实理解了为什么有些人批评Java又臭又长，这IO库的设计模式采用了装饰器，真的有些扭曲，好在理解了设计思想之后，很容易就可以梳理出脉络。文里的这些文件读写的底层类除了接受字符串格式的文件名之外，还可以接受File对象，没有写在里边是不想让代码看上去太复杂。