Java编程的逻辑 (57) - 二进制文件和字节流
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本节我们介绍在Java中如何以二进制字节的方式来处理文件，上节我们提到Java中有流的概念，以二进制方式读写的主要流有：
- InputStream/OutputStream: 这是基类，它们是抽象类。
- FileInputStream/FileOutputStream: 输入源和输出目标是文件的流。
- ByteArrayInputStream/ByteArrayOutputStream: 输入源和输出目标是字节数组的流。
- DataInputStream/DataOutputStream: 装饰类，按基本类型和字符串而非只是字节读写流。
- BufferedInputStream/BufferedOutputStream: 装饰类，对输入输出流提供缓冲功能。
下面，我们就来介绍这些类的功能、用法、原理和使用场景，最后，我们总结一些简单的实用方法。
InputStream/OutputStream
InputStream的基本方法
InputStream是抽象类，主要方法是：
public abstract int read() throws IOException;
read从流中读取下一个字节，返回类型为int，但取值在0到255之间，当读到流结尾的时候，返回值为-1，如果流中没有数据，read方法会阻塞直到数据到来、流关闭、或异常出现，异常出现时，read方法抛出异常，类型为IOException，这是一个受检异常，调用者必须进行处理。read是一个抽象方法，具体子类必须实现，FileInputStream会调用本地方法，所谓本地方法，一般不是用Java写的，大多使用C语言实现，具体实现往往与虚拟机和操作系统有关。
InputStream还有如下方法，可以一次读取多个字节：
public int read(byte b[]) throws IOException
读入的字节放入参数数组b中，第一个字节存入b[0]，第二个存入b[1]，以此类推，一次最多读入的字节个数为数组b的长度，但实际读入的个数可能小于数组长度，返回值为实际读入的字节个数。如果刚开始读取时已到流结尾，则返回-1，否则，只要数组长度大于0，该方法都会尽力至少读取一个字节，如果流中一个字节都没有，它会阻塞，异常出现时也是抛出IOException。该方法不是抽象方法，InputStream有一个默认实现，主要就是循环调用读一个字节的read方法，但子类如FileInputStream往往会提供更为高效的实现。
批量读取还有一个更为通用的重载方法：
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException
读入的第一个字节放入b[off]，最多读取len个字节，read(byte b[])就是调用了该方法：
public int read(byte b[]) throws IOException { return read(b, 0, b.length); }
流读取结束后，应该关闭，以释放相关资源，关闭方法为：
public void close() throws IOException
不管read方法是否抛出了异常，都应该调用close方法，所以close通常应该放在finally语句内。close自己可能也会抛出IOException，但通常可以捕获并忽略。
InputStream的高级方法
InputStream还定义了如下方法：
public long skip(long n) throws IOException public int available() throws IOException public synchronized void mark(int readlimit) public boolean markSupported() public synchronized void reset() throws IOException
skip跳过输入流中n个字节，因为输入流中剩余的字节个数可能不到n，所以返回值为实际略过的字节个数。InputStream的默认实现就是尽力读取n个字节并扔掉，子类往往会提供更为高效的实现，FileInputStream会调用本地方法。在处理数据时，对于不感兴趣的部分，skip往往比读取然后扔掉的效率要高。
available返回下一次不需要阻塞就能读取到的大概字节个数。InputStream的默认实现是返回0，子类会根据具体情况返回适当的值，FileInputStream会调用本地方法。在文件读写中，这个方法一般没什么用，但在从网络读取数据时，可以根据该方法的返回值在网络有足够数据时才读，以避免阻塞。
一般的流读取都是一次性的，且只能往前读，不能往后读，但有时可能希望能够先看一下后面的内容，根据情况，再重新读取。比如，处理一个未知的二进制文件，我们不确定它的类型，但可能可以通过流的前几十个字节判断出来，判读出来后，再重置到流开头，交给相应类型的代码进行处理。
InputStream定义了三个方法，mark/reset/markSupported，用于支持从读过的流中重复读取。怎么重复读取呢？先使用mark方法将当前位置标记下来，在读取了一些字节，希望重新从标记位置读时，调用reset方法。
能够重复读取不代表能够回到任意的标记位置，mark方法有一个参数readLimit，表示在设置了标记后，能够继续往后读的最多字节数，如果超过了，标记会无效。为什么会这样呢？因为之所以能够重读，是因为流能够将从标记位置开始的字节保存起来，而保存消耗的内存不能无限大，流只保证不会小于readLimit。
不是所有流都支持mark/reset的，是否支持可以通过markSupported的返回值进行判断。InpuStream的默认实现是不支持，FileInputStream也不直接支持，但BufferedInputStream和ByteArrayInputStream可以。
OutputStream
OutputStream的基本方法是：
public abstract void write(int b) throws IOException;
向流中写入一个字节，参数类型虽然是int，但其实只会用到最低的8位。这个方法是抽象方法，具体子类必须实现，FileInputStream会调用本地方法。
OutputStream还有两个批量写入的方法：
public void write(byte b[]) throws IOException public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException
在第二个方法中，第一个写入的字节是b[off]，写入个数为len，最后一个是b[off+len-1]，第一个方法等同于调用：write(b, 0, b.length);。OutputStream的默认实现是循环调用单字节的write方法，子类往往有更为高效的实现，FileOutpuStream会调用对应的批量写本地方法。
OutputStream还有两个方法：
public void flush() throws IOException public void close() throws IOException
flush将缓冲而未实际写的数据进行实际写入，比如，在BufferedOutputStream中，调用flush会将其缓冲区的内容写到其装饰的流中，并调用该流的flush方法。基类OutputStream没有缓冲，flush代码为空。
需要说明的是文件输出流FileOutputStream，你可能会认为，调用flush会强制确保数据保存到硬盘上，但实际上不是这样，FileOutputStream没有缓冲，没有重写flush，调用flush没有任何效果，数据只是传递给了操作系统，但操作系统什么时候保存到硬盘上，这是不一定的。要确保数据保存到了硬盘上，可以调用FileOutputStream中的特有方法。
close一般会首先调用flush，然后再释放流占用的系统资源。同InputStream一样，close一般应该放在finally语句内。
FileInputStream/FileOutputStream
FileOutputStream
FileOutputStream的主要构造方法有：
public FileOutputStream(File file) throws FileNotFoundException public FileOutputStream(File file, boolean append) throws FileNotFoundException public FileOutputStream(String name) throws FileNotFoundException public FileOutputStream(String name, boolean append) throws FileNotFoundException
有两类参数，一类是文件路径，可以是File对象file，也可以是文件路径name，路径可以是绝对路径，也可以是相对路径，如果文件已存在，append参数指定是追加还是覆盖，true表示追加，没传append参数表示覆盖。new一个FileOutputStream对象会实际打开文件，操作系统会分配相关资源。如果当前用户没有写权限，会抛出异常SecurityException，它是一种RuntimeException。如果指定的文件是一个已存在的目录，或者由于其他原因不能打开文件，会抛出异常FileNotFoundException，它是IOException的一个子类。
我们看一段简单的代码，将字符串"hello, 123, 老马"写到文件hello.txt中：
OutputStream output = new FileOutputStream("hello.txt"); try{ String data = "hello, 123, 老马"; byte[] bytes = data.getBytes(Charset.forName("UTF-8")); output.write(bytes); }finally{ output.close(); }
OutputStream只能以byte或byte数组写文件，为了写字符串，我们调用String的getBytes方法得到它的UTF-8编码的字节数组，再调用write方法，写的过程放在try语句内，在finally语句中调用close方法。
FileOutputStream还有两个额外的方法：
public FileChannel getChannel() public final FileDescriptor getFD()
FileChannel定义在java.nio中，表示文件通道概念，我们不会深入介绍通道，但内存映射文件方法定义在FileChannel中，我们会在后续章节介绍。FileDescriptor表示文件描述符，它与操作系统的一些文件内存结构相连，在大部分情况下，我们不会用到它，不过它有一个方法sync:
public native void sync() throws SyncFailedException;
这是一个本地方法，它会确保将操作系统缓冲的数据写到硬盘上。注意与OutputStream的flush方法相区别，flush只能将应用程序缓冲的数据写到操作系统，sync则确保数据写到硬盘，不过一般情况下，我们并不需要手工调用它，只要操作系统和硬件设备没问题，数据迟早会写入，但在一定特定情况下，一定需要确保数据写入硬盘，则可以调用该方法。
FileInputStream
FileInputStream的主要构造方法有：
public FileInputStream(String name) throws FileNotFoundException public FileInputStream(File file) throws FileNotFoundException
参数与FileOutputStream类似，可以是文件路径或File对象，但必须是一个已存在的文件，不能是目录。new一个FileInputStream对象也会实际打开文件，操作系统会分配相关资源，如果文件不存在，会抛出异常FileNotFoundException，如果当前用户没有读的权限，会抛出异常SecurityException。
我们看一段简单的代码，将上面写入的文件"hello.txt"读到内存并输出：
InputStream input = new FileInputStream("hello.txt"); try{ byte[] buf = new byte[1024]; int bytesRead = input.read(buf); String data = new String(buf, 0, bytesRead, "UTF-8"); System.out.println(data); }finally{ input.close(); }
读入到的是byte数组，我们使用String的带编码参数的构造方法将其转换为了String。这段代码假定一次read调用就读到了所有内容，且假定字节长度不超过1024。为了确保读到所有内容，可以逐个字节读取直到文件结束：
int b = -1; int bytesRead = 0; while((b=input.read())!=-1){ buf[bytesRead++] = (byte)b; }
在没有缓冲的情况下逐个字节读取性能很低，可以使用批量读入且确保读到文件结尾，如下所示：
byte[] buf = new byte[1024]; int off = 0; int bytesRead = 0; while((bytesRead=input.read(buf, off, 1024-off ))!=-1){ off += bytesRead; } String data = new String(buf, 0, off, "UTF-8");
不过，这还是假定文件内容长度不超过一个固定的大小1024。如果不确定文件内容的长度，不希望一次性分配过大的byte数组，又希望将文件内容全部读入，怎么做呢？可以借助ByteArrayOutputStream。
ByteArrayInputStream/ByteArrayOutputStream
ByteArrayOutputStream
ByteArrayOutputStream的输出目标是一个byte数组，这个数组的长度是根据数据内容动态扩展的。它有两个构造方法：
public ByteArrayOutputStream() public ByteArrayOutputStream(int size)
第二个构造方法中的size指定的就是初始的数组大小，如果没有指定，长度为32。在调用write方法的过程中，如果数组大小不够，会进行扩展，扩展策略同样是指数扩展，每次至少增加一倍。
ByteArrayOutputStream有如下方法，可以方便的将数据转换为字节数组或字符串：
public synchronized byte[] toByteArray() public synchronized String toString() public synchronized String toString(String charsetName)
toString()方法使用系统默认编码。
ByteArrayOutputStream中的数据也可以方便的写到另一个OutputStream：
public synchronized void writeTo(OutputStream out) throws IOException
ByteArrayOutputStream还有如下额外方法：
public synchronized int size() public synchronized void reset()
size返回当前写入的字节个数。reset重置字节个数为0，reset后，可以重用已分配的数组。
使用ByteArrayOutputStream，我们可以改进上面的读文件代码，确保将所有文件内容读入：
InputStream input = new FileInputStream("hello.txt"); try{ ByteArrayOutputStream output = new ByteArrayOutputStream(); byte[] buf = new byte[1024]; int bytesRead = 0; while((bytesRead=input.read(buf))!=-1){ output.write(buf, 0, bytesRead); } String data = output.toString("UTF-8"); System.out.println(data); }finally{ input.close(); }
读入的数据先写入ByteArrayOutputStream中，读完后，再调用其toString方法获取完整数据。
ByteArrayInputStream
ByteArrayInputStream将byte数组包装为一个输入流，是一种适配器模式，它的构造方法有：
public ByteArrayInputStream(byte buf[]) public ByteArrayInputStream(byte buf[], int offset, int length)
第二个构造方法以buf中offset开始length个字节为背后的数据。ByteArrayInputStream的所有数据都在内存，支持mark/reset重复读取。
为什么要将byte数组转换为InputStream呢？这与容器类中要将数组、单个元素转换为容器接口的原因是类似的，有很多代码是以InputStream/OutputSteam为参数构建的，它们构成了一个协作体系，将byte数组转换为InputStream可以方便的参与这种体系，复用代码。
DataInputStream/DataOutputStream
上面介绍的类都只能以字节为单位读写，如何以其他类型读写呢？比如int, double。可以使用DataInputStream/DataOutputStream，它们都是装饰类。
DataOutputStream
DataOutputStream是装饰类基类FilterOutputStream的子类，FilterOutputStream是OutputStream的子类，它的构造方法是：
public FilterOutputStream(OutputStream out)
它接受一个已有的OutputStream，基本上将所有操作都代理给了它。
DataOutputStream实现了DataOutput接口，可以以各种基本类型和字符串写入数据，部分方法如下：
void writeBoolean(boolean v) throws IOException; void writeInt(int v) throws IOException; void writeDouble(double v) throws IOException; void writeUTF(String s) throws IOException;
在写入时，DataOutputStream会将这些类型的数据转换为其对应的二进制字节，比如：
- writeBoolean: 写入一个字节，如果值为true，则写入1，否则0
- writeInt: 写入四个字节，最高位字节先写入，最低位最后写入
- writeUTF: 将字符串的UTF-8编码字节写入，这个编码格式与标准的UTF-8编码略有不同，不过，我们不用关心这个细节。
与FilterOutputStream一样，DataOutputStream的构造方法也是接受一个已有的OutputStream：
public DataOutputStream(OutputStream out)
我们来看一个例子，保存一个学生列表到文件中，学生类的定义为：
class Student { String name; int age; double score; public Student(String name, int age, double score) { ... } ... }
我们省略了构造方法和getter/setter方法，学生列表内容为：
List<Student> students = Arrays.asList(new Student[]{ new Student("张三", 18, 80.9d), new Student("李四", 17, 67.5d) });
将该列表内容写到文件students.dat中的代码可以为：
public static void writeStudents(List<Student> students) throws IOException{ DataOutputStream output = new DataOutputStream( new FileOutputStream("students.dat")); try{ output.writeInt(students.size()); for(Student s : students){ output.writeUTF(s.getName()); output.writeInt(s.getAge()); output.writeDouble(s.getScore()); } }finally{ output.close(); } }
我们先写了列表的长度，然后针对每个学生、每个字段，根据其类型调用了相应的write方法。
DataInputStream
DataInputStream是装饰类基类FilterInputStream的子类，FilterInputStream是InputStream的子类。
DataInputStream实现了DataInput接口，可以以各种基本类型和字符串读取数据，部分方法如下：
boolean readBoolean() throws IOException; int readInt() throws IOException; double readDouble() throws IOException; String readUTF() throws IOException;
在读取时，DataInputStream会先按字节读进来，然后转换为对应的类型。
DataInputStream的构造方法接受一个InputStream：
public DataInputStream(InputStream in)
还是以上面的学生列表为例，我们来看怎么从文件中读进来：
public static List<Student> readStudents() throws IOException{ DataInputStream input = new DataInputStream( new FileInputStream("students.dat")); try{ int size = input.readInt(); List<Student> students = new ArrayList<Student>(size); for(int i=0; i<size; i++){ Student s = new Student(); s.setName(input.readUTF()); s.setAge(input.readInt()); s.setScore(input.readDouble()); students.add(s); } return students; }finally{ input.close(); } }
基本是写的逆过程，代码比较简单，就不赘述了。
使用DataInputStream/DataOutputStream读写对象，非常灵活，但比较麻烦，所以Java提供了序列化机制，我们在后续章节介绍。
BufferedInputStream/BufferedOutputStream
FileInputStream/FileOutputStream是没有缓冲的，按单个字节读写时性能比较低，虽然可以按字节数组读取以提高性能，但有时必须要按字节读写，比如上面的DataInputStream/DataOutputStream，它们包装了文件流，内部会调用文件流的单字节读写方法。怎么解决这个问题呢？方法是将文件流包装到缓冲流中。
BufferedInputStream内部有个字节数组作为缓冲区，读取时，先从这个缓冲区读，缓冲区读完了再调用包装的流读，它的构造方法有两个：
public BufferedInputStream(InputStream in) public BufferedInputStream(InputStream in, int size)
size表示缓冲区大小，如果没有，默认值为8192。
除了提高性能，BufferedInputStream也支持mark/reset，可以重复读取。
与BufferedInputStream类似，BufferedOutputStream的构造方法也有两个，默认的缓冲区大小也是8192，它的flush方法会将缓冲区的内容写到包装的流中。
在使用FileInputStream/FileOutputStream时，应该几乎总是在它的外面包上对应的缓冲类，如下所示：
InputStream input = new BufferedInputStream(new FileInputStream("hello.txt")); OutputStream output = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("hello.txt"));
再比如：
DataOutputStream output = new DataOutputStream( new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("students.dat"))); DataInputStream input = new DataInputStream( new BufferedInputStream(new FileInputStream("students.dat")));
实用方法
可以看出，即使只是按二进制字节读写流，Java也包括了很多的类，虽然很灵活，但对于一些简单的需求，却需要写很多代码，实际开发中，经常需要将一些常用功能进行封装，提供更为简单的接口。下面我们提供一些实用方法，以供参考。
拷贝
拷贝输入流的内容到输出流，代码为：
public static void copy(InputStream input, OutputStream output) throws IOException{ byte[] buf = new byte[4096]; int bytesRead = 0; while((bytesRead = input.read(buf))!=-1){ output.write(buf, 0, bytesRead); } }
将文件读入字节数组
代码为：
public static byte[] readFileToByteArray(String fileName) throws IOException{ InputStream input = new FileInputStream(fileName); ByteArrayOutputStream output = new ByteArrayOutputStream(); try{ copy(input, output); return output.toByteArray(); }finally{ input.close(); } }
这个方法调用了上面的拷贝方法。
将字节数组写到文件
public static void writeByteArrayToFile(String fileName, byte[] data) throws IOException{ OutputStream output = new FileOutputStream(fileName); try{ output.write(data); }finally{ output.close(); } }
Apache有一个类库Commons IO，里面提供了很多简单易用的方法，实际开发中，可以考虑使用。
小结
本节我们介绍了如何在Java中以二进制字节的方式读写文件，介绍了主要的流。
- InputStream/OutputStream：是抽象基类，有很多面向流的代码，以它们为参数，比如本节介绍的copy方法。
- FileInputStream/FileOutputStream：流的源和目的地是文件。
- ByteArrayInputStream/ByteArrayOutputStream：源和目的地是字节数组，作为输入相当于是适配器，作为输出封装了动态数组，便于使用。
- DataInputStream/DataOutputStream：装饰类，按基本类型和字符串读写流。
- BufferedInputStream/BufferedOutputStream：装饰类，提供缓冲，FileInputStream/FileOutputStream一般总是应该用该类装饰。
最后，我们提供了一些实用方法，以方便常见的操作，在实际开发中，可以考虑使用专门的类库如Apache Commons IO。
本节介绍的流不适用于处理文本文件，比如，不能按行处理，没有编码的概念，下一节，就让我们来看文本文件和字符流。
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