C# 数据流（Data Streams）
简介
在C#中，数据流（Data Streams）是一种用于读取和写入数据的抽象概念。数据流通常用于处理文件、网络通信、内存中的数据等场景。C#提供了多种数据流类来支持不同类型的数据读写操作。
Stream（流）
在C#中，Stream 是一个抽象类，用于提供对数据的读取和写入操作。它定义了基本的读写方法和属性，但本身不能直接实例化，需要通过其子类来实现具体的数据流操作。Stream 类是数据流处理的核心，提供了一种统一的接口，使得可以以相似的方式处理各种不同来源和格式的数据。
FileStream（文件流）
FileStream 是C#中用于对文件进行读写操作的类，它派生自 Stream 类。通过 FileStream，可以直接操作文件的数据，包括读取文件内容、写入数据到文件以及控制文件的访问权限等。
原理
FileStream 通过将文件视为字节流的方式进行操作。它将文件的内容读取到内存中的缓冲区中，或者将内存中的数据写入到文件中。FileStream 类提供了多种构造函数，允许以不同的模式（如打开、创建、截断文件等）打开文件，并支持同步和异步操作。
案例
using System; using System.IO; class Program { static void Main() { // 写入数据到文件 using (FileStream fs = new FileStream("example.txt", FileMode.Create)) { string data = "Hello, FileStream!"; byte[] byteData = System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes(data); fs.Write(byteData, 0, byteData.Length); } // 从文件中读取数据 using (FileStream fs = new FileStream("example.txt", FileMode.Open)) { byte[] buffer = new byte[1024]; int bytesRead = fs.Read(buffer, 0, buffer.Length); string text = System.Text.Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, bytesRead); Console.WriteLine(text); } } }
应用场景
- 文件读写操作：FileStream 主要用于对文件进行读写操作，适用于需要直接访问文件内容的场景。
- 文件处理任务：对于需要读取、修改或创建文件的任务，FileStream 提供了灵活且高效的方式来处理文件。
优点
- 直接操作文件：FileStream 允许直接操作文件的数据，而无需将文件内容加载到内存中。
- 高效性：通过使用缓冲区和异步操作，可以提高文件读写的效率。
- 灵活性：FileStream 提供了多种构造函数和参数，可以满足不同的文件读写需求。
缺点
- 操作复杂性：相比于高级别的文件操作接口，使用 FileStream 进行文件读写操作可能需要编写更多的代码。
- 不适用于所有场景：某些情况下，如果只是简单的文件读写操作，可能会选择更高级别的文件操作接口（如：File.ReadAllText 和 File.WriteAllText、StreamReader 和 StreamWriter）来实现，而不是直接使用 FileStream。
MemoryStream（内存流）
简介
MemoryStream 是C#中用于在内存中进行数据读写操作的类，它派生自 Stream 类。通过 MemoryStream，可以将数据存储在内存中的缓冲区中，而无需依赖外部文件或网络资源。
原理
MemoryStream 通过将数据存储在内存中的字节数组中来实现数据的读写操作。它提供了对字节数组的读写方法，并支持对内存缓冲区进行扩展或截断。MemoryStream 类可以直接操作内存中的数据，不涉及文件或网络的读写操作，因此速度较快。
案例
using System; using System.IO; class Program { static void Main() { // 写入数据到内存流 using (MemoryStream ms = new MemoryStream()) { string data = "Hello, MemoryStream!"; byte[] byteData = System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes(data); ms.Write(byteData, 0, byteData.Length); // 将内存流的数据读取到字节数组中 byte[] buffer = ms.ToArray(); // 将字节数组转换为字符串并输出 string text = System.Text.Encoding.UTF8.GetString(buffer); Console.WriteLine(text); } } }
应用场景
- 数据处理：适用于需要在内存中临时存储和处理数据的场景，如数据转换、加密解密等操作。
- 内存缓存：可用于实现内存缓存，临时存储需要频繁访问的数据，以提高程序的性能。
- 测试和调试：在单元测试或调试过程中，可以使用 MemoryStream 来模拟文件流操作，而无需创建实际的文件。
优点
- 速度快：由于数据存储在内存中，因此读写操作速度较快。
- 灵活性：MemoryStream 提供了对内存缓冲区的灵活操作，如扩展、截断等。
- 无需外部资源：不依赖外部文件或网络资源，适用于临时数据的处理和存储。
缺点
- 内存占用：由于数据存储在内存中，可能会占用大量的内存空间，特别是处理大量数据时。
- 数据临时性：内存中的数据在程序结束后会被释放，因此不适合长期存储大量数据。
NetworkStream（网络流）
简介
NetworkStream 是C#中用于通过网络进行数据通信的类，它派生自 Stream 类。通过 NetworkStream，可以在网络套接字上进行数据的读写操作，实现客户端和服务器之间的数据交换。
原理
NetworkStream 通过底层的网络套接字（Socket）来进行数据传输。当创建 NetworkStream 对象时，需要将一个已连接的套接字作为参数传递给它。之后，可以使用 NetworkStream 对象的方法来进行数据的读写操作，这些操作将直接影响底层的套接字。
案例
using System; using System.IO; using System.Net; using System.Net.Sockets; class Program { static void Main() { // 客户端连接服务器 TcpClient client = new TcpClient("127.0.0.1", 8888); // 获取客户端的网络流 NetworkStream stream = client.GetStream(); // 发送数据到服务器 string message = "Hello, Server!"; byte[] buffer = System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes(message); stream.Write(buffer, 0, buffer.Length); // 从服务器接收数据 buffer = new byte[1024]; int bytesRead = stream.Read(buffer, 0, buffer.Length); string response = System.Text.Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, bytesRead); Console.WriteLine("Server response: " + response); // 关闭流和连接 stream.Close(); client.Close(); } }
应用场景
- 网络通信：主要用于客户端和服务器之间的数据传输，如实现网络通信协议（如HTTP、FTP等）中的数据交换。
- 远程控制：可用于实现远程控制功能，如远程命令执行、文件传输等。
- 实时数据传输：适用于需要实时传输数据的场景，如在线游戏、实时监控系统等。
优点
- 简单易用：NetworkStream 提供了简单易用的接口，使得进行网络数据传输变得更加便捷。
- 高效性：通过底层的套接字实现，可以实现高效的网络数据传输。
- 灵活性：支持同步和异步操作，可以根据需要选择合适的操作方式。
缺点
- 阻塞式操作：默认情况下，NetworkStream 的读写操作是阻塞的，可能会导致程序在等待数据到达时被阻塞。
- 不稳定性：由于网络环境的不确定性，可能会出现网络连接中断、数据丢失等问题，需要进行适当的异常处理。
六、StreamReader 和 StreamWriter
简介
StreamReader 和 StreamWriter 是C#中用于在文件、流等数据源上进行文本数据读写的类。它们提供了更高级别的文本处理功能，使得读写文本数据变得更加方便和灵活。
原理
StreamReader 和 StreamWriter 通过将字节数据转换为字符数据，以及将字符数据转换为字节数据来实现文本数据的读写操作。它们内部使用了字符编码方式来进行字符和字节之间的转换，以确保在不同平台和环境下的兼容性。
案例
using System; using System.IO; class Program { static void Main() { // 使用 StreamWriter 写入文本数据 using (StreamWriter writer = new StreamWriter("example.txt")) { writer.WriteLine("Hello, StreamWriter!"); } // 使用 StreamReader 读取文本数据 using (StreamReader reader = new StreamReader("example.txt")) { string line; while ((line = reader.ReadLine()) != null) { Console.WriteLine(line); } } } }
应用场景
- 文本文件读写：主要用于读取和写入文本文件中的数据，适用于处理各种文本文件，如配置文件、日志文件等。
- 流数据处理：可用于处理流中的文本数据，如处理网络流、内存流等。
- 数据转换：可用于将字节数据转换为字符数据，或者将字符数据转换为字节数据，用于在不同的数据源之间进行数据转换。
优点
- 简单易用：StreamReader 和 StreamWriter 提供了简单易用的接口，使得文本数据的读写变得更加方便。
- 高级功能：提供了一些高级功能，如自动检测编码、自动换行等，提高了文本数据处理的灵活性和效率。
- 字符编码支持：支持多种字符编码方式，能够在不同平台和环境下进行兼容处理。
缺点
- 性能开销：由于需要进行字符和字节之间的转换，可能会引入一定的性能开销，特别是在处理大量数据时。
- 不适合处理二进制数据：由于 StreamReader 和 StreamWriter 主要用于处理文本数据，不适合处理二进制数据。如果需要处理二进制数据，建议使用 BinaryReader 和 BinaryWriter 等类。
对比FileStream
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特性 |
StreamReader / StreamWriter |
FileStream |
|
功能 |
用于读写文本数据 |
用于读写文件数据 |
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基类 |
Stream |
Stream |
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数据源 |
文件、流等 |
文件 |
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读写方式 |
文本数据 |
字节数据 |
|
高级功能 |
自动检测编码、自动换行等 |
无 |
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适用场景 |
文本文件读写、流数据处理、数据转换等 |
文件读写、二进制数据处理等 |
七、BinaryReader 和 BinaryWriter
简介
BinaryReader 和 BinaryWriter 是C#中用于读写二进制数据的类，它们分别用于从流中读取二进制数据并将二进制数据写入到流中。这两个类提供了对基本数据类型（如整数、浮点数等）和字节数组进行读写的方法，是处理二进制数据的常用工具。
原理
BinaryReader 和 BinaryWriter 基于字节流进行操作，通过将基本数据类型转换为字节序列来实现二进制数据的读写。它们提供了一系列的方法来读取和写入不同类型的数据，并使用适当的编码方式确保数据的正确读写。在底层，它们都是基于 Stream 类的实现，可以与不同类型的流（如 FileStream、MemoryStream 等）一起使用。
案例
using System; using System.IO; class Program { static void Main() { // 写入二进制数据到文件 using (BinaryWriter writer = new BinaryWriter(File.Open("example.bin", FileMode.Create))) { writer.Write(42); writer.Write(3.14); writer.Write("Hello, BinaryWriter!"); } // 从文件中读取二进制数据 using (BinaryReader reader = new BinaryReader(File.Open("example.bin", FileMode.Open))) { int intValue = reader.ReadInt32(); double doubleValue = reader.ReadDouble(); string stringValue = reader.ReadString(); Console.WriteLine($"Int: {intValue}, Double: {doubleValue}, String: {stringValue}"); } } }
应用场景
- 二进制文件处理：主要用于读写二进制文件，如处理自定义文件格式、读取和写入二进制配置文件等。
- 网络通信：可用于在网络通信中读写二进制数据，如处理自定义网络协议等。
- 序列化和反序列化：可以用于自定义对象的序列化和反序列化，将对象转换为二进制流进行存储或传输。
优点
- 高效性：二进制数据的读写速度通常比文本数据快，尤其适用于处理大量数据。
- 灵活性：BinaryReader 和 BinaryWriter 提供了丰富的方法来读写各种类型的数据，具有很强的灵活性。
- 直观：通过使用 ReadXXX 和 Write 等方法，可以直观地进行二进制数据的读写操作。
缺点
- 不易阅读：二进制数据不易阅读和调试，相比于文本数据，调试时可能会更加困难。
- 不适合人类交互：由于二进制数据的格式通常不易理解，因此不适合用于与用户进行交互式操作。
八、CryptoStream
简介
CryptoStream 是C#中用于在数据流上进行加密和解密操作的类，它派生自 Stream 类。通过 CryptoStream，可以在数据流传输过程中对数据进行加密和解密，提供了一种方便且高效的方式来保护数据的安全性。
原理
CryptoStream 基于加密算法，通过将原始数据流（如文件流、内存流等）包装在其内部，并使用指定的加密算法和密钥对数据进行加密或解密。在读取和写入数据时，CryptoStream 会自动进行加密或解密操作，从而实现数据的安全传输。
案例
using System; using System.IO; using System.Security.Cryptography; class Program { static void Main() { string plainText = "Hello, CryptoStream!"; byte[] key = new byte[16]; // 密钥长度为16字节 byte[] iv = new byte[16]; // 初始化向量长度为16字节 using (Aes aesAlg = Aes.Create()) using (MemoryStream ms = new MemoryStream()) { // 创建 CryptoStream 进行加密操作 using (CryptoStream csEncrypt = new CryptoStream(ms, aesAlg.CreateEncryptor(key, iv), CryptoStreamMode.Write)) using (StreamWriter swEncrypt = new StreamWriter(csEncrypt)) { // 写入数据到 CryptoStream swEncrypt.Write(plainText); } // 获取加密后的字节数组 byte[] encryptedData = ms.ToArray(); Console.WriteLine($"Encrypted data: {Convert.ToBase64String(encryptedData)}"); // 创建 CryptoStream 进行解密操作 using (MemoryStream decryptStream = new MemoryStream(encryptedData)) using (CryptoStream csDecrypt = new CryptoStream(decryptStream, aesAlg.CreateDecryptor(key, iv), CryptoStreamMode.Read)) using (StreamReader srDecrypt = new StreamReader(csDecrypt)) { // 读取解密后的数据 string decryptedText = srDecrypt.ReadToEnd(); Console.WriteLine($"Decrypted data: {decryptedText}"); } } } }
应用场景
- 安全数据传输：主要用于在网络通信、文件传输等场景中保护数据的安全传输。
- 数据存储：可用于加密和解密存储在本地文件或数据库中的敏感数据。
- 加密算法实现：可以用于实现加密算法（如AES、DES等）的封装和使用，提供了对加密算法的统一接口。
优点
- 数据安全性：通过加密算法对数据进行加密和解密，提供了数据的安全性保障。
- 方便易用：作为 Stream 类的一个子类，CryptoStream 提供了与其他数据流类相似的使用方式，易于集成到现有的代码中。
- 灵活性：支持多种加密算法和模式，可以根据需要选择合适的加密算法和参数。
缺点
- 性能开销：加密和解密操作可能会引入一定的性能开销，特别是在处理大量数据时。
- 密钥管理：需要妥善管理加密算法所使用的密钥，密钥的安全性直接影响到加密数据的安全性。
九、DeflateStream
简介
DeflateStream 是C#中用于对数据流进行压缩和解压缩的类，它派生自 Stream 类。通过 DeflateStream，可以在数据传输过程中对数据进行压缩，以减少数据传输量，或者对接收到的压缩数据进行解压缩，恢复原始数据。
原理
DeflateStream 基于 DEFLATE 压缩算法，是一种流式压缩算法，常用于数据传输中。在压缩过程中，DeflateStream 将数据流中的数据进行压缩，减少数据的大小；在解压缩过程中，它会将压缩的数据流解压缩为原始数据流。DeflateStream 使用的压缩算法是无损的，即压缩后的数据可以完全恢复为原始数据。
案例
using System; using System.IO; using System.IO.Compression; class Program { static void Main() { string text = "Hello, DeflateStream! This is a test for compression."; // 压缩数据 byte[] compressedData; using (MemoryStream ms = new MemoryStream()) { using (DeflateStream deflateStream = new DeflateStream(ms, CompressionMode.Compress)) using (StreamWriter writer = new StreamWriter(deflateStream)) { writer.Write(text); } compressedData = ms.ToArray(); } Console.WriteLine($"Compressed data: {Convert.ToBase64String(compressedData)}"); // 解压缩数据 using (MemoryStream compressedMs = new MemoryStream(compressedData)) using (DeflateStream deflateStream = new DeflateStream(compressedMs, CompressionMode.Decompress)) using (StreamReader reader = new StreamReader(deflateStream)) { string decompressedText = reader.ReadToEnd(); Console.WriteLine($"Decompressed text: {decompressedText}"); } } }
应用场景
- 网络传输：在网络传输中，可用于减少数据传输量，提高传输效率。
- 文件压缩：在文件压缩和解压缩中，用于减少文件大小，节省存储空间。
- 内存占用优化：在内存中对数据进行压缩，可以减少内存占用，提高系统性能。
优点
- 减少数据传输量：通过压缩数据流，可以减少数据传输量，提高传输效率。
- 无损压缩：使用 DEFLATE 压缩算法，压缩后的数据可以完全恢复为原始数据。
- 易于使用：作为 Stream 类的一个子类，DeflateStream 提供了与其他数据流类相似的使用方式，易于集成到现有的代码中。
缺点
- 性能开销：压缩和解压缩操作可能会引入一定的性能开销，特别是在处理大量数据时。
- 压缩率受限：DEFLATE 压缩算法的压缩率有限，对于某些类型的数据可能不如其他压缩算法效果好。
