Java IO: InputStream和OutputStream

1.InputStream

InputStream就是Java标准库提供的最基本的输入流。它位于java.io这个包里。java.io包提供了所有同步IO的功能。

要特别注意的一点是，InputStream并不是一个接口，而是一个抽象类，它是所有输入流的超类。这个抽象类定义的一个最重要的方法就是int read()，签名如下：

public abstract int read() throws IOException;

这个方法会读取输入流的下一个字节，并返回字节表示的int值（0~255）。如果已读到末尾，返回-1表示不能继续读取了。

FileInputStream是InputStream的一个子类。顾名思义，FileInputStream就是从文件流中读取数据。下面的代码演示了如何完整地读取一个FileInputStream的所有字节：

public void readFile() throws IOException {
    // 创建一个FileInputStream对象:
    InputStream input = new FileInputStream("src/readme.txt");
    for (;;) {
        int n = input.read(); // 反复调用read()方法，直到返回-1
        if (n == -1) {
            break;
        }
        System.out.println(n); // 打印byte的值
    }
    input.close(); // 关闭流
}

在计算机中，类似文件、网络端口这些资源，都是由操作系统统一管理的。应用程序在运行的过程中，如果打开了一个文件进行读写，完成后要及时地关闭，以便让操作系统把资源释放掉，否则，应用程序占用的资源会越来越多，不但白白占用内存，还会影响其他应用程序的运行。

InputStream和OutputStream都是通过close()方法来关闭流。关闭流就会释放对应的底层资源。我们还要注意到在读取或写入IO流的过程中，可能会发生错误，例如，文件不存在导致无法读取，没有写权限导致写入失败，等等，这些底层错误由Java虚拟机自动封装成IOException异常并抛出。因此，所有与IO操作相关的代码都必须正确处理IOException。

仔细观察上面的代码，会发现一个潜在的问题：如果读取过程中发生了IO错误，InputStream就没法正确地关闭，资源也就没法及时释放。因此，我们需要用try ... finally来保证InputStream在无论是否发生IO错误的时候都能够正确地关闭：

public void readFile() throws IOException {
    InputStream input = null;
    try {
        input = new FileInputStream("src/readme.txt");
        int n;
        while ((n = input.read()) != -1) { // 利用while同时读取并判断
            System.out.println(n);
        }
    } finally {
        if (input != null) { input.close(); }
    }
}

用try ... finally来编写上述代码会感觉比较复杂，更好的写法是利用Java 7引入的新的try(resource)的语法，只需要编写try语句，让编译器自动为我们关闭资源。推荐的写法如下：

public void readFile() throws IOException {
    try (InputStream input = new FileInputStream("src/readme.txt")) {
        int n;
        while ((n = input.read()) != -1) {
            System.out.println(n);
        }
    } // 编译器在此自动为我们写入finally并调用close()
}

实际上编译器并不会特别地为InputStream加上自动关闭。编译器只看try(resource = ...)中的对象是否实现了java.lang.AutoCloseable接口，如果实现了，就自动加上finally语句并调用close()方法。InputStream和OutputStream都实现了这个接口，因此，都可以用在try(resource)中。

缓冲

在读取流的时候，一次读取一个字节并不是最高效的方法。很多流支持一次性读取多个字节到缓冲区，对于文件和网络流来说，利用缓冲区一次性读取多个字节效率往往要高很多。InputStream提供了两个重载方法来支持读取多个字节:

• int read(byte[] b)：读取若干字节并填充到byte[]数组，返回读取的字节数
• int read(byte[] b, int off, int len)：指定byte[]数组的偏移量和最大填充数

利用上述方法一次读取多个字节时，需要先定义一个byte[]数组作为缓冲区，read()方法会尽可能多地读取字节到缓冲区， 但不会超过缓冲区的大小。read()方法的返回值不再是字节的int值，而是返回实际读取了多少个字节。如果返回-1，表示没有更多的数据了。

利用缓冲区一次读取多个字节的代码如下：

public void readFile() throws IOException {
    try (InputStream input = new FileInputStream("src/readme.txt")) {
        // 定义1000个字节大小的缓冲区:
        byte[] buffer = new byte[1000];
        int n;
        while ((n = input.read(buffer)) != -1) { // 读取到缓冲区
            System.out.println("read " + n + " bytes.");
        }
    }
}

阻塞

在调用InputStream的read()方法读取数据时，我们说read()方法是阻塞（Blocking）的。它的意思是，对于下面的代码：

int n;
n = input.read(); // 必须等待read()方法返回才能执行下一行代码
int m = n;

执行到第二行代码时，必须等read()方法返回后才能继续。因为读取IO流相比执行普通代码，速度会慢很多，因此，无法确定read()方法调用到底要花费多长时间。

InputStream实现类

用FileInputStream可以从文件获取输入流，这是InputStream常用的一个实现类。此外，ByteArrayInputStream可以在内存中模拟一个InputStream：

import java.io.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        byte[] data = { 72, 101, 108, 108, 111, 33 };
        try (InputStream input = new ByteArrayInputStream(data)) {
            int n;
            while ((n = input.read()) != -1) {
                System.out.println((char)n);
            }
        }
    }
}

ByteArrayInputStream实际上是把一个byte[]数组在内存中变成一个InputStream，虽然实际应用不多，但测试的时候，可以用它来构造一个InputStream。

举个栗子：我们想从文件中读取所有字节，并转换成char然后拼成一个字符串，可以这么写：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        String s;
        try (InputStream input = new FileInputStream("C:\\test\\README.txt")) {
            int n;
            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            while ((n = input.read()) != -1) {
                sb.append((char) n);
            }
            s = sb.toString();
        }
        System.out.println(s);
    }
}

要测试上面的程序，就真的需要在本地硬盘上放一个真实的文本文件。如果我们把代码稍微改造一下，提取一个readAsString()的方法：

import java.io.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        
        /*String s;
        try (InputStream input = new FileInputStream("C:\\test\\README.txt")) {
            s = readAsString(input);
        }*/
        
        byte[] data = { 72, 101, 108, 108, 111, 33 };
        try (InputStream input = new ByteArrayInputStream(data)) {
            String s = readAsString(input);
            System.out.println(s);
        }
    }

    public static String readAsString(InputStream input) throws IOException {
        int n;
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        while ((n = input.read()) != -1) {
            sb.append((char) n);
        }
        return sb.toString();
    }

}

对这个String readAsString(InputStream input)方法进行测试就相当简单，因为不一定要传入一个真的FileInputStream。

这就是面向抽象编程原则的应用：接受InputStream抽象类型，而不是具体的FileInputStream类型，从而使得代码可以处理InputStream的任意实现类。

2.OutputStream

和InputStream相反，OutputStream是Java标准库提供的最基本的输出流。

和InputStream类似，OutputStream也是抽象类，它是所有输出流的超类。这个抽象类定义的一个最重要的方法就是void write(int b)，签名如下:

public abstract void write(int b) throws IOException;

这个方法会写入一个字节到输出流。要注意的是，虽然传入的是int参数，但只会写入一个字节，即只写入int最低8位表示字节的部分。

flush()方法

和InputStream类似，OutputStream也提供了close()方法关闭输出流，以便释放系统资源。要特别注意：OutputStream还提供了一个flush()方法，它的目的是将缓冲区的内容真正输出到目的地。

为什么要有flush()？因为向磁盘、网络写入数据的时候，出于效率的考虑，操作系统并不是输出一个字节就立刻写入到文件或者发送到网络，而是把输出的字节先放到内存的一个缓冲区里（本质上就是一个byte[]数组），等到缓冲区写满了，再一次性写入文件或者网络。对于很多IO设备来说，一次写一个字节和一次写1000个字节，花费的时间几乎是完全一样的，所以OutputStream有个flush()方法，能强制把缓冲区内容输出。通常情况下，我们不需要调用这个flush()方法，因为缓冲区写满了OutputStream会自动调用它，并且，在调用close()方法关闭OutputStream之前，也会自动调用flush()方法。

但是，在某些情况下，我们必须手动调用flush()方法。举个栗子：小明正在开发一款在线聊天软件，当用户输入一句话后，就通过OutputStream的write()方法写入网络流。小明测试的时候发现，发送方输入后，接收方根本收不到任何信息，怎么肥四？

原因就在于写入网络流是先写入内存缓冲区，等缓冲区满了才会一次性发送到网络。如果缓冲区大小是4K，则发送方要敲几千个字符后，操作系统才会把缓冲区的内容发送出去，这个时候，接收方会一次性收到大量消息。解决办法就是每输入一句话后，立刻调用flush()，不管当前缓冲区是否已满，强迫操作系统把缓冲区的内容立刻发送出去。

实际上，InputStream也有缓冲区。例如，从FileInputStream读取一个字节时，操作系统往往会一次性读取若干字节到缓冲区，并维护一个指针指向未读的缓冲区。然后，每次我们调用int read()读取下一个字节时，可以直接返回缓冲区的下一个字节，避免每次读一个字节都导致IO操作。当缓冲区全部读完后继续调用read()，则会触发操作系统的下一次读取并再次填满缓冲区。

FileOutputStream

以FileOutputStream为例，演示如何将若干个字节写入文件流：

public void writeFile() throws IOException {
    OutputStream output = new FileOutputStream("out/readme.txt");
    output.write(72); // H
    output.write(101); // e
    output.write(108); // l
    output.write(108); // l
    output.write(111); // o
    output.close();
}

每次写入一个字节非常麻烦，更常见的方法是一次性写入若干字节。这时，可以用OutputStream提供的重载方法void write(byte[])来实现：

public void writeFile() throws IOException {
    OutputStream output = new FileOutputStream("out/readme.txt");
    output.write("Hello".getBytes("UTF-8")); // Hello
    output.close();
}

和InputStream一样，上述代码没有考虑到在发生异常的情况下如何正确地关闭资源。写入过程也会经常发生IO错误，例如，磁盘已满，无权限写入等等。我们需要用try(resource)来保证OutputStream在无论是否发生IO错误的时候都能够正确地关闭：

public void writeFile() throws IOException {
    try (OutputStream output = new FileOutputStream("out/readme.txt")) {
        output.write("Hello".getBytes("UTF-8")); // Hello
    } // 编译器在此自动为我们写入finally并调用close()
}

阻塞

和InputStream一样，OutputStream的write()方法也是阻塞的。

OutputStream实现类

用FileOutputStream可以从文件获取输出流，这是OutputStream常用的一个实现类。此外，ByteArrayOutputStream可以在内存中模拟一个OutputStream：

import java.io.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        byte[] data;
        try (ByteArrayOutputStream output = new ByteArrayOutputStream()) {
            output.write("Hello ".getBytes("UTF-8"));
            output.write("world!".getBytes("UTF-8"));
            data = output.toByteArray();
        }
        System.out.println(new String(data, "UTF-8"));
    }
}

ByteArrayOutputStream实际上是把一个byte[]数组在内存中变成一个OutputStream，虽然实际应用不多，但测试的时候，可以用它来构造一个OutputStream。

3.总结

Java标准库的java.io.InputStream定义了所有输入流的超类：

• FileInputStream实现了文件流输入；
• ByteArrayInputStream在内存中模拟一个字节流输入。

总是使用try(resource)来保证InputStream正确关闭。

Java标准库的java.io.OutputStream定义了所有输出流的超类：

• FileOutputStream实现了文件流输出；
• ByteArrayOutputStream在内存中模拟一个字节流输出。

某些情况下需要手动调用OutputStream的flush()方法来强制输出缓冲区。

总是使用try(resource)来保证OutputStream正确关闭。