**Java I/O系统**
**Java I/O系统概述**
我们知道，一个Java程序可以从控制台接收数据，并输出到控制台中。数据保存在内存中的对象里，一旦Java程序运行完毕后，对象就会在内存中消失，对象所包含的数据也就消失了。那么，有没有什么方法可以将内存中的数据保存下来，以便下次运行程序的时候可以使用？此外，除了通过控制台设备接收和输出数据外，我们能不能从其它设备接收数据，并将数据保存或输出到其它设备呢？
Java类库提供了大量类，可以帮助我们从不同的设备读取数据，并保存或输出到不同的设备中。这些类统一放在java.io包和java.nio包中，统称Java I/O系统。这里，I是英文单词Input的缩写，中文含义为输入；O是英文单词Output的缩写，中文含义为输出。
如果我们查看JDK说明文档java.io包，会发现Java I/O系统是相当庞大的，要完全掌握这些类并非易事。然而，如果我们在学习I/O系统时，掌握I/O系统设计的一些规律，就能很快掌握这些类的用法。
要深入学习Java I/O系统，首先必须理解流（Stream）的概念。
那么，什么是流呢？流是一个很形象的概念，当程序需要读取数据的时候，就会开启一个通向数据源设备的流，这个数据源设备可以是文件、内存或网络连接。
类似的，当程序需要写入数据的时候，就会开启一个通向目的地设备的流。这时候我们就可以想象数据好像在这其中“流”动一样。这个概念和自然界中的水流、气流类似
流是Java I/O的基础，是Java语言对I/O的一个最基本的抽象。之所有采用流作为I/O最基本的抽象，是因为流有两个最基本的特性：一是它含有流质，而是它有方向。在计算机中，流质就是数据，方向就是读或写。
对流的读或写就是针对设备进行信息的输入或输出。我们可以将流理解为传送数据的管道。管道的一段是固定的，就是系统的内存；管道的另一端连的是不同的设备。当管道所连是输入设备时，可以通过这个管道将输入设备所得到的数据读取到内存的变量中。同样，如果管道所连的是输出设备，可以通过它将内存变量中的数据输出到输出设备中。
流使得输入输出的方式变得统一，Java I/O类库基于流的思想来构建，并提供了各类流和创建流的机制来完成对不同设备的读写。
**流的分类**
对于Java I/O类库对应的java.io包，我们可以将它看成是存放各种类型流的仓库。根据流中的流质和流向的不同，io包中的流被分为许多类型。以下我们讲解流的分类规则。
1）输入流和输出流
流按照数据流的方向分，可以分为两种类型，分别是：
输入流。从数据源读取数据到程序中。只能从中读取数据，而不能向其写入数据。io包中的输入流都继承自抽象类InputStream或Reader。
输出流。将数据从程序写入数据目的地。只能从中写入数据，而不能从中读取数据。io包中的输出流都继承自抽象类OutputStream或Writer。
在I/O库中的每个输入流都可以找到对应的输出流。
2）字节流和字符流
流按照处理数据的最小单位的不同，可以分为两种类型，分别是：
字节流。字节流是以byte为最小单位进行数据传送。io包中的字节流都继承自抽象类InputStream或OutputStream。
字符流。字符流是以char为最小单位进行数据传送。io包中的字符流都继承自抽象类Reader或者Writer。
I/O库做出这种区分是为了满足处理文字型数据的需要。我们知道byte是8位的，char是16位的。在Java中，各种语言的文字都以Unicode形式编码，Unicode编码是基于16位的char，所以在读写文字型的数据时通过字符流会更有效率、更方便。而一些二进制数据的读写，比如图像、声音等，则仍必须通过字节流来完成。
字节流的类名以InputStream或OutputStream结尾，字符流的类名以Reader或Writer结尾。字节流对应的内存变量类型是byte[]，字符流对应的内存变量类型是char[]。
3）节点流和处理流
流按照流的功能分，可以分为两种类型，分别是：
节点流。节点流是可以直接从/向一个特定的数据源（例如磁盘文件、内存、网络）读/写数据的流。节点流也称低级流。例如所有从InputStream或Reader派生的类都有一个基本的read()方法，用于读取单一的字节或者字节数组；而对所有从OutputStream或Writer派生的类都有一个基本的write()方法，用于写入单一的字节或者整个字节数组。但在实际应用中，一般很少使用单一的流类来产生输入输出流，而是使用这两个方法给其他的流类提供数据，通过多个流对象的连接和封装使用实际的流。
处理流。处理流不直接连接到设备，而是连接在已存在的流（节点流或处理流）之上，通过对数据的处理为程序提供更强大的读写功能。处理流也称高级流。
如果我们对照流的这些分类方法，研究Java I/O类，我们会发现：I/O库中的这些类，呈现出一种对称性。这种对称体现在两个方面：一是输入流和输出流的对称，二是字节流和字符流的对称。以上的对称性将I/O库分为4个区间。各个区间内分布的流都是平行的相互对应的，同一区间的流对应的I/O类都有相同的后缀。
在I/O类库中，流名称的后缀表明了它的类别，流名称的前缀一般和它要处理的对象或设备有关。在每个具体的区间中，管道又可以根据节点流和处理流进一步分类。例如，BufferedInputStream类，前缀为Buffered，表明它要处理的是内存缓冲区中的数据，后缀为InputStream，表明它是一个字节流和输入流。如果查看它的构造器，我们会发现它的构造器带一个InputStream类型参数，因此它又是一个高级流。
从上面的分类我们可以看出，所有I/O类中的具体类都是继承自四个抽象类InputSream、OutputStream、Reader、Writer，从而把具体类分为四个对称区间。那么，Java为什么要这样设计呢？
读取和写入流的数据源可以有多种，所以，即使要传输的数据是相同的，而数据的来源分别是从不同的设备读取，例如键盘、磁盘或者网络，那么从不同设备和数据源中获得数据的机制也是不同的。
假如我们要用Java编写输入和输出程序，通过不同的硬件设备上读写文件，是否要为每种不同的设备编写不同的程序呢？很显然，这种做法不可取。那么，我们可是否可以编写独立于硬件的程序呢？在Java中，可以借助于java.io中对抽象类的支持来解决这一问题。
那么，如何对数据进行读取和写入呢？想像一下这样的情形，家里需要使用自来水，自来水公司要把水输到用户家里，应该先把自来水公司到用户家里的连接水管建好。当用户需要使用水的时候，打开水笼头，取出水，用完了之后，关闭水笼头。我们操作IO流是不是也应该是这样一个流程呢？建立流的通道，操作流中的数据，关闭流释放资源。
既然IO操作都是相似的流程，我们就可以将不同数据源共同的方法和属性抽象成父类，以达到代码重用和便于扩展的效果。
Java中是如何设计呢？以面向字节的读取流为例，所有的面向字节的读取流都继承于java.io.InputStream。该类中定义了所有读取共同的方法和属性。但有一个read()的抽象方法，该方法用于读取数据。由于数据源有多种，所以具体的子类会根据数据源的不同分别实现read方法。(相同的行为，不同的实现方式)，所以在InputStream前面加上数据源就构成了具体的子类。
要确保足够的通用性，以便在无需了解源数据的情况下就可以读取任何数据，最好的办法就是围绕抽象类来编写程序，而不是围绕具体的子类来编写。
所有的IO操作都由以下步骤构成：
1) 建立流。根据数据源和具体的操作（是读取还是写入）选择流，然后建立流。通过流的建立，创建内存到数据源之间的数据通道，以传输数据。
2) 操作流。将数据读取到内存，或将内存中的数据写入数据源。
3) 关闭流。流操作结束后，释放所有与该流相关联的系统资源。
现在，我们已经掌握了Java I/O库中各类流的分布规律和使用规律。下面我们开始深入学习Java I/O库的主要类。
**文件类**
java.io包中的File类提供了管理磁盘文件和目录的基本功能。我们可以将一个File对象看成是代表一个文件或目录的名称和位置的字符串。File类有四个构造方法：
public File(String pathname)。创建一个与指定路径名关联的File对象。
public File(String parent, String child)。使用指定参数创建一个File对象。参数parent代表一个目录，参数child代表在parent中的子目录或文件。
public File(File parent, String child)。与上一个构造器相同，除了目录是用一个File对象而不是一个字符串来表示。
public File(URI uri)。使用给定的java.net.URI对象创建一个File对象。URI是统一资源标识符，一个文件的URI是“file:///目录/文件名”格式。
因为File对象类似于一个字符串，只代表一个文件或者目录的路径名，所以，即使指定的文件或目录不存在，这些构造器也能成功执行。例如，如下的语句是可以成功执行的，不过“somefile.txt”是否是一个实际存在的文件
File f = new File("somefile.txt");
但是，现在我们有了一个与文件名somefile.txt关联的File对象，而File类又包含了很多有用的方法来判断关于该文件的信息。列出了File类中常用的方法，更多方法的详细信息，请参考JDK文档。
除了提供了大量目录和文件操作的方法外，File类还提供了separator、separatorChar两个常量，用于返回与操作系统平台无关的文件分隔符。为什么要提供这两个常量呢？这是因为各个操作系统平台下的文件分隔符有可能不一样。例如，Windows操作系统使用反斜线“\”作为文件分隔符，而Unix和Linux操作系统使用正斜线符号“/”作为文件分隔符。如果我们在程序中对C盘src目录下input.txt硬编码为“c:\src\input.txt”，在Windows平台下可以正确运行，当程序部署到Unix或Linux操作系统下，就无法正确运行。因此，我们在程序员中应该采用“"c:" + File.separator+"src"+File.separator+"input.txt"”这样的灵活编码方式，保证文件路径与平台无关。
File类可以用于整个java.io包，通常作为一个参数或者返回值类型。使用File对象而不是字符串来代表文件，是一个好的编程习惯。在为I/O操作之前，它可以让我们对文件执行如FileDemo程序中所示的某种检查。
虽然File类可以操作文件，但是File类不是流，它不能操作文件的内容。要操作文件内容，就必须使用我们下面要学习的各种流。
**字节流**
字节流用于处理二进制文件。所有字节流都继承于抽象类InputStream和OutputStream两个父类。其中InputStream为读取字节流的父类，OutputStream为写入字节流的父类。
列出了java.io.InputStream类中提供的方法，这些方法提供了管理流的信息、从流中读取数据、查明流中有多少可用数据、前进到流中的一个新位置以及关闭流等功能。所有的输入流类都至少有这些方法可用。掌握了父类中子类共有的方法后，再去学习子类特有的方法，这样可以减少学习的难度
列出了java.io.OutputStream类中提供的方法，这些方法提供了向流中写入数据、将流中数据刷入目标并关闭该流的基本功能。同样，所有的输出流类都至少有这些方法可用。掌握了父类中子类共有的方法后，再去学习子类特有的方法，这样可以减少学习的难度。
低级字节流
字节流中的主要低级流，根据其输入和输出的设备或数据源，分为三类：
对二进制文件进行读写操作的FileInputStream和FileOutputStream类，其数据源是磁盘文件。
对内存缓冲区中的字节数组进行读写操作的ByteArrayInputStream和ByteArrayOutputStream类，其数据源是内存中的字节数组。
对线程管道进行读写操作的PipedInputStream和PipedOutputStream类，其数据源是线程管道。
下面，我们以最常用的对文件进行读写操作的FileInputStream和FileOutputStream为例，演示低级字节流的操作。
java.io.FileInputStream是InputStream的子类。从开头File名称上就可以知道，FileInputStream与从指定的文件中读取数据至目的地有关。而java.io.FileOutputStream是OutputStream的子类，顾名思义，FileOutputStream主要与从来源地写入数据至指定的文件中有关。
当建立一个FileInputStream或FileOutputStream的实例时，必须指定文件位置及文件名称，实例被建立时文件的流就会开启；而不使用流时，必须关闭文件流，以释放与流相依的系统资源，完成文件读/写的动作。
FileInputStream可以使用read()方法一次读入一个字节，并以int类型返回，或者是使用read()方法时读入至一个byte数组，byte数组的元素有多少个，就读入多少个字节。在将整个文件读取完成或写入完毕的过程中，这么一个byte数组通常被当作缓冲区，因为这么一个byte数组通常扮演承接数据的中间角色。
高级字节流
高级字节流对低级字节流进行了封装，并有许多功能的扩展。高级字节流根据其功能分为三大类：
过滤流类：过滤流类提供了额外的功能，在将数据实际写入到输出流之前对输出进行预处理，或者在读取数据之后对输入进行后期处理。过滤流类都是抽象类FilterInputStream 和 FilterOutputStream的子类。
缓冲流：包括BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream，这两个类实现了带缓冲的过滤流。
数据流：包括DataInputStream 和 DataOutputStream，可以用与计算机无关的格式读写Java的基本数据类型以及String对象。
计数：包括LineNumberInputStream类，允许在翻译行结束符的基础上，维护一个计数器，该计数器表明正在读取的是哪一行。
推回输入流：包括PushbackInputStream类，代表一个流允许从流中读取数据，然后在需要时推回该流。
打印输出流：包括PrintStream类，允许将基本类型数据打印输出到字符串流中，带有自动刷新功能。
对象流：包括ObjectInputStream和ObjectOutputStream，允许直接对对象执行读写操作。
合并：SequenceInputStream类可以实现两个文件的合并操作，它从两个低级流中读取数据字节，当到达流的末尾时从一个流转到另一个流 ，从而实现合并操作。
因为高级流不能直接与数据源进行通讯，所以使用时不能单独使用，必须附加在一个已经存在的低级流或高级流上，也就是必须用一个已经存在的流作为它的构造器参数。
这些高级字节流中，最常用的是过滤流（缓冲流、数据流、打印输出流）和对象流。对象流我们将在后面小节详细讲述。下面我们主要讲解缓冲流、数据流和打印输出流。
1）字节缓冲流
前面我们的示例是使用没有缓冲的I/O，这意味着每次读写请求都是直接通过下层操作系统来处理。每次这种请求都要触发磁盘访问、网络流量或者其它相对比较耗时的操作，因此效率会比较低下。
BufferedInputStream与BufferedOutputStream可以为InputStream、OutputStream类的对象增加缓冲区功能。创建BufferedInputStream流时，需要给定一个InputStream类型的实例，实现BufferedInputStream时，实际上最后是实现InputStream实例。同样地，在创建BufferedOutputStream流时，也需要给定一个OutputStream实例，实现BufferedOutputStream时，实际上最后是实现OutputStream实例。
BufferedInputStream的数据成员buf是一个字节数组，默认为2048字节。当读取数据源时，例如文件，BufferedInputStream会尽量将buf填满。当使用read()方法时，实际上是先读取buf中的数据，而不是直接读取数据源。当buf中的数据不足时，BufferedInputStream才会再实现给定的InputStream对象的read()方法，从指定的设备中提取数据
BufferedOutputStream的数据成员buf是一个字节数组，默认为512字节。当使用write()方法写入数据时，实际上会先将数据写至buf中，当buf已满时才会实现给定的OutputStream对象的write()方法，将buf数据写至目的地，而不是每次都对目的地作写入的动作。
**字符流**
字符流用于处理文本文件。所有字符流都继承于抽象类Reader和Writer两个父类。其中Reader为读取字符流的父类， Writer为写入字符流的父类。图17.15是字符流中输入流的层次关系示意图，图17.16是字符流中输出流的层次关系示意图。
Reader与InputStream相似，用于从流中读取数据。Reader是以字符为单位操作流。
Writer和OutputStream类似，用于向流中写入数据。只是Writer是以字符为单位写入数据。
在处理字符流时，主要问题是进行字符编码的转换。Java语言采用Unicode字符编码方式，对于每个字符，JVM为其分配2个字节的内存。但是，在文本文件中，字符有可能采用其它类型的编码，例如UTF-8、GBK、GB2312等。Reader类可以将数据源中采用其它编码类型的字符转换为Unicode字符，然后在内存中为这些Unicode字符分配内存；Writer类能够把内存中的Unicode字符转换为其它编码类型的字符，再写到数据目的地。默认情况下，Reader和Writer会在本地操作系统平台默认字符编码和Unicode编码之间进行转换。对于中文操作系统平台，默认的字符编码通常为“GBK”。
由于Reader和Writer采用过了字符编码转换技术，所以它们能够正确访问各种字符编码的文本文件。另一方面，在为字符分配内存时，JVM在内存中统一采用Unicode编码，所以Java程序处理字符具有平*立性。这就省去了程序员在编写程序时手动进行字符编码转换的繁琐。
低级字符流
字符流中的低级流包括：
对内存数组进行操作的CharArrayReader和CharArrayWriter类，与ByteArrayInputStream和ByteArrayOutputStream类似，其数据源为内存中的字符数组。
对内存中的String对象进行操作的StringReader和StringWriter类，其数据源为内存中的String对象。
对线程管道进行操作的PipedReader和PipedWriter类，与PipedInputStream和PipedOutputStream类似，其数据源为线程管道。
对文本文件进行读写操作的FileReader和FileWriter类，与FileInputStream和FileOutputStream类似，其数据源为磁盘文件。FileReader和FileWriter按照本地操作系统平台的默认字符编码，读写文件。
高级字符流
字符流中常用的高级流包括：
缓冲流：包括BufferedReader和BufferedWriter类，利用缓冲区来提高读写数据的效率。
转换流：用于字节数据到字符数据之间的转换，包括InputStreamReader和OutputStreamWriter。
打印输出流：包括PrintWriter类，允许将基本类型数据打印输出到字符串流中，PrintWriter带有带自动刷新（Flush）功能。
下面，我们分别讲述缓冲流、转换流和打印输出流类的用法。
1）字符缓冲流
BufferedReader和BufferedWriter类，与BufferedInputStream和BuffedOutputStream类似，可以利用缓冲区来提高读写数据的效率，用来装饰其它的字符流。比BufferedInputStream和BuffedOutputStream更强大的是，这两个类可以整行读写字符。
BufferedReader类提供了readLine()方法，可以一次读入一行字符，以字符串形式返回，如果读到文件末尾，就返回null。BufferedWriter类提供了newLine()方法，写入一个行分隔符。
2）转换流
Java既支持字节流，也支持字符流，但是有时候需要在字节流和字符流之间转换。Java I/O库中提供了InputStreamReader和OutputStreamWriter这两个类用于字节数据到字符数据之间的转换。InputStreamReader用于将一个字节流中的字节转换为字符，而OutputStreamWriter用于将写入的字符转换成字节后写入一个字节流，此外，这两个类可以根据指定的编码方式读写流中的字符。
3）字符打印输出流
前面我们已经介绍了字节流中的打印输出流PrintStream，它可以将Java的基本数据类型等数据，直接转换为系统默认编码下对应的字符，再输出至OutputStream中。而这里要介绍的 PrintWriter在功能上与PrintStream类似，除了接受OutputStream实例作为变量之外，PrintWriter还可以接受Writer对象作为输出的对象。当原先是使用Writer对象在作字符处理，而现在想要套用println()之类的方法时，使用PrintWriter会是比较方便的做法。
**对象流**
Java I/O提供了各类流完成数据的读写，这些流读写数据的“口径”是不一样的。这里的“口径”对应的是每次读写发生时数据的复杂程度。最基本的流提供了基于byte或char的读写；高级一些的，例如BufferedReader/BufferedWriter提供了基于String的读写；更高级的，比如DataInputStream/DataOutputStream提供过了各类基本类型int、long、short等的读写；但*的，也是最自然的读写是基于对象的读写，这是由ObjectInputStream/ObjectOutputStream来提供的。
ObjectInputStream/ObjectOutputStream之所以能完成基于对象的读写，是因为Java提供了一套对象序列化机制。序列化机制就是一套向流写入或读取对象数据的自动机制，这套机制将读写的实现封装在对象自身的实现之中。
为了让对象可以实现可以通过ObjectInputStream/ObjectOutputStream进行读写，必须让它的类可以被序列化。而为了实现对象序列化，对应的类必须实现java.io.Serializable接口。
在Serializable接口中没有定义任何的方法，它是我们在接口一章中讲到的“标记接口”。这种类型的接口仅仅用于标示它的实现类特性，而没有具体的方法定义。
**流的使用原则**
前面我们用了很大的篇幅介绍了Java I/O中主要的流类，现在我们对流的使用做一个总结。
对Java I/O库中的流类有如下的使用原则：
一、按数据源分类
1) 如果数据源是文件，对于字节流，使用FileInputStream和FileOutputStream；对于字符流，使用FileReader和 FileWriter。
2) 如果数据源是字节数组byte[]，则使用ByteArrayInputStream和ByteArrayOutputStream。
3) 如果数据源是字符数组Char[]，则使用CharArrayReader和CharArrayWriter。
4) 如果数据源是String对象，对于字节流，则使用StringBufferInputStream和StringBufferOuputStream；对于字符流，则使用StringReader和StringWriter。
5) 如果数据源是网络数据流，对于字节流，使用InputStream和OutputStream；对于字符流，使用Reader和Writer。
二、按是否格式化输出分：要格式化输出，则使用PrintStream或PrintWriter。
三、按是否要缓冲分，要缓冲的话，对于字节流使用BufferedInputStream和BufferedOutputStream；对于字节流，使用BufferedReader和BufferedWriter。
四、按数据格式分
1) 二进制格式（只要不能确定是纯文本的）：使用InputStream、OutputStream 及其所有带 Stream结束的子类。
2) 纯文本格式（含纯英文与汉字或其他编码方式）：使用Reader、Writer 及其所有带 Reader、Writer 的子类。
五、按输入输出分
1) 输入：使用Reader、InputStream 类型的子类。
2) 输出：使用Writer、OutputStream 类型的子类。
六、特殊需要
1) 从Stream到Reader、Writer的转换类：InputStreamReader、OutputStreamWriter。
2) 对象输入输出：ObjectInputStream、ObjectOutputStream。
3) 线程间通信：PipeInputStream、PipeOutputStream、PipeReader、PipeWriter。
4) 合并输入：SequenceInputStream。
5) 更特殊的需要：PushbackInputStream、PushbackReader、LineNumberInputStream、LineNumberReader。
在不考虑特殊需求的情况，决定使用哪个类以及它的构造进程的一般准则如下：
首先，考虑最原始的数据格式是什么：原则四。
第二，是输入还是输出：原则五。
第三，是否需要转换流：原则六第1点。
第四，数据源是什么：原则一。
第五，是否要缓冲：原则三（特别注明：一定要注意的是readLine()是否有定义，有什么比 read()、write()更特殊的输入或输出方法）。
第六，是否要格式化输出：原则二。
