缓冲流

Java 的缓冲流是对字节流和字符流的一种封装，通过在内存中开辟缓冲区来提高 I/O 操作的效率。Java 通过 BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream 来实现字节流的缓冲，通过 BufferedReader 和 BufferedWriter 来实现字符流的缓冲。

缓冲流的工作原理是将数据先写入缓冲区中，当缓冲区满时再一次性写入文件或输出流，或者当缓冲区为空时一次性从文件或输入流中读取一定量的数据。这样可以减少系统的 I/O 操作次数，提高系统的 I/O 效率，从而提高程序的运行效率。

字节缓冲流

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构造方法

• BufferedInputStream(InputStream in) ：创建一个新的缓冲输入流，注意参数类型为InputStream。
• BufferedOutputStream(OutputStream out)： 创建一个新的缓冲输出流，注意参数类型为OutputStream。

// 创建字节缓冲输入流，先声明字节流
FileInputStream fps = new FileInputStream(b.txt);
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fps)
 
// 创建字节缓冲输入流（一步到位）
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("b.txt"));
 
// 创建字节缓冲输出流（一步到位）
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("b.txt"));

字节缓冲流为什么快

传统的 Java IO 是阻塞模式的，它的工作状态就是“读/写，等待，读/写，等待。。。。。。”

字节缓冲流解决的就是这个问题：一次多读点多写点，减少读写的频率，用空间换时间。

• 减少系统调用次数：在使用字节缓冲流时，数据不是立即写入磁盘或输出流，而是先写入缓冲区，当缓冲区满时再一次性写入磁盘或输出流。这样可以减少系统调用的次数，从而提高 I/O 操作的效率。
• 减少磁盘读写次数：在使用字节缓冲流时，当需要读取数据时，缓冲流会先从缓冲区中读取数据，如果缓冲区中没有足够的数据，则会一次性从磁盘或输入流中读取一定量的数据。同样地，当需要写入数据时，缓冲流会先将数据写入缓冲区，如果缓冲区满了，则会一次性将缓冲区中的数据写入磁盘或输出流。这样可以减少磁盘读写的次数，从而提高 I/O 操作的效率。
• 提高数据传输效率：在使用字节缓冲流时，由于数据是以块的形式进行传输，因此可以减少数据传输的次数，从而提高数据传输的效率。

BufferedInputStream 的 read 方法：

public synchronized int read() throws IOException {
    if (pos >= count) {     // 如果当前位置已经到达缓冲区末尾
        fill();             // 填充缓冲区
        if (pos >= count)   // 如果填充后仍然到达缓冲区末尾，说明已经读取完毕
            return -1;      // 返回 -1 表示已经读取完毕
    }
    return getBufIfOpen()[pos++] & 0xff; // 返回当前位置的字节，并将位置加 1
}

这段代码主要有两部分：

• fill()：该方法会将缓冲 buf 填满。
• getBufIfOpen()[pos++] & 0xff：返回当前读取位置 pos 处的字节（getBufIfOpen()返回的是 buffer 数组，是 byte 类型），并将其与 0xff 进行位与运算。这里的目的是将读取到的字节 b 当做无符号的字节处理，因为 Java 的 byte 类型是有符号的，而将 b 与 0xff 进行位与运算，就可以将其转换为无符号的字节，其范围为 0 到 255。

FileInputStream 的 read 方法：

public int read() throws IOException {
    return read0();
}
    
private native int read0() throws IOException;

BufferedOutputStream 的 write(byte b[], int off, int len) 方法：

public synchronized void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {
    if (len >= buf.length) {    // 如果写入的字节数大于等于缓冲区长度
        /* 如果请求的长度超过了输出缓冲区的大小，
           先刷新缓冲区，然后直接将数据写入。
           这样可以避免缓冲流级联时的问题。*/
        flushBuffer();          // 先刷新缓冲区
        out.write(b, off, len); // 直接将数据写入输出流
        return;
    }
    if (len > buf.length - count) { // 如果写入的字节数大于空余空间
        flushBuffer();              // 先刷新缓冲区
    }
    System.arraycopy(b, off, buf, count, len); // 将数据拷贝到缓冲区中
    count += len;                             // 更新计数器
}

首先，该方法会检查写入的字节数是否大于等于缓冲区长度，如果是，则先将缓冲区中的数据刷新到磁盘中，然后直接将数据写入输出流。这样做是为了避免缓冲流级联时的问题，即缓冲区的大小不足以容纳写入的数据时，可能会引发级联刷新，导致效率降低。

级联问题（Cascade Problem）是指在一组缓冲流（Buffered Stream）中，由于缓冲区的大小不足以容纳要写入的数据，导致数据被分割成多个部分，并分别写入到不同的缓冲区中，最终需要逐个刷新缓冲区，从而导致性能下降的问题。

其次，如果写入的字节数小于缓冲区长度，则检查缓冲区中剩余的空间是否足够容纳要写入的字节数，如果不够，则先将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。然后，使用 System.arraycopy() 方法将要写入的数据拷贝到缓冲区中，并更新计数器 count。

最后，如果写入的字节数小于缓冲区长度且缓冲区中还有剩余空间，则直接将要写入的数据拷贝到缓冲区中，并更新计数器 count。

也就是说，只有当 buf 写满了，才会 flush，将数据刷到磁盘，默认一次刷 8192 个字节。

public BufferedOutputStream(OutputStream out) {
    this(out, 8192);
}

FileOutputStream 的 write 方法：

public void write(int b) throws IOException {
    write(b, append);
}
 
private native void write(int b, boolean append) throws IOException;

字符缓冲流

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BufferedReader 类继承自 Reader 类，提供了一些便捷的方法，例如 readLine() 方法可以一次读取一行数据，而不是一个字符一个字符地读取。

BufferedWriter 类继承自 Writer 类，提供了一些便捷的方法，例如 newLine() 方法可以写入一个系统特定的行分隔符。

构造方法

• BufferedReader(Reader in) ：创建一个新的缓冲输入流，注意参数类型为Reader。
• BufferedWriter(Writer out)： 创建一个新的缓冲输出流，注意参数类型为Writer。

// 创建字符缓冲输入流
BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("b.txt"));
// 创建字符缓冲输出流
BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("b.txt"));

字符缓冲流特有方法

• BufferedReader：String readLine(): 读一行数据，读取到最后返回 null
• BufferedWriter：newLine(): 换行，由系统定义换行符。

// 创建流对象
BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("a.txt"));
// 定义字符串,保存读取的一行文字
String line  = null;
// 循环读取,读取到最后返回null
while ((line = br.readLine())!=null) {
    System.out.print(line);
    System.out.println("------");
}
// 释放资源
br.close();

// 创建流对象
BfferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("b.txt"));
// 写出数据
bw.write("沉");
// 写出换行
bw.newLine();
bw.write("默");
bw.newLine();
bw.write("王");
bw.newLine();
bw.write("二");
bw.newLine();
// 释放资源
bw.close();