吃透Java IO：字节流、字符流、缓冲流

前言

有人曾问fastjson的作者（阿里技术专家高铁）：“你开发fastjson，没得到什么好处，反而挨了骂背了锅，这种事情你为什么要做呢？” 高铁答道：“因为热爱本身，就是奖励啊！” 这个回答顿时触动了我。想想自己，又何尝不是如此。

IO流是Java中的一个重要构成部分，也是我们经常打交道的。

下面几个问题（问题还会继续补充），如果你能对答如流，那么恭喜你，IO知识掌握得很好，可以立即关闭文章。反之，你可以在后面得文章中寻找答案。

Java IO流有什么特点？
Java IO流分为几种类型？
字节流和字符流的关系与区别？
字符流是否使用了缓冲？
缓冲流的效率一定高吗？为什么？
缓冲流体现了Java中的哪种设计模式思想？
为什么要实现序列化?如何实现序列化?
序列化数据后，再次修改类文件，读取数据会出问题，如何解决呢?

1 初识Java IO

IO，即in和out，也就是输入和输出，指应用程序和外部设备之间的数据传递，常见的外部设备包括文件、管道、网络连接。

Java 中是通过流处理IO 的，那么什么是流？

流（Stream），是一个抽象的概念，是指一连串的数据（字符或字节），是以先进先出的方式发送信息的通道。

当程序需要读取数据的时候，就会开启一个通向数据源的流，这个数据源可以是文件，内存，或是网络连接。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的流。这时候你就可以想象数据好像在这其中“流”动一样。

一般来说关于流的特性有下面几点：

先进先出：最先写入输出流的数据最先被输入流读取到。
顺序存取：可以一个接一个地往流中写入一串字节，读出时也将按写入顺序读取一串字节，不能随机访问中间的数据。（RandomAccessFile除外）
只读或只写：每个流只能是输入流或输出流的一种，不能同时具备两个功能，输入流只能进行读操作，对输出流只能进行写操作。在一个数据传输通道中，如果既要写入数据，又要读取数据，则要分别提供两个流。

1.1 IO流分类

IO流主要的分类方式有以下3种：

按数据流的方向：输入流、输出流
按处理数据单位：字节流、字符流
按功能：节点流、处理流

1、输入流与输出流

输入与输出是相对于应用程序而言的，比如文件读写，读取文件是输入流，写文件是输出流，这点很容易搞反。

2、字节流与字符流

字节流和字符流的用法几乎完成全一样，区别在于字节流和字符流所操作的数据单元不同，字节流操作的单元是数据单元是8位的字节，字符流操作的是数据单元为16位的字符。

为什么要有字符流？

Java中字符是采用Unicode标准，Unicode 编码中，一个英文为一个字节，一个中文为两个字节。

而在UTF-8编码中，一个中文字符是3个字节。例如下面图中，“云深不知处”5个中文对应的是15个字节：-28-70-111-26-73-79-28-72-115-25-97-91-27-92-124

那么问题来了，如果使用字节流处理中文，如果一次读写一个字符对应的字节数就不会有问题，一旦将一个字符对应的字节分裂开来，就会出现乱码了。为了更方便地处理中文这些字符，Java就推出了字符流。

字节流和字符流的其他区别：

字节流一般用来处理图像、视频、音频、PPT、Word等类型的文件。字符流一般用于处理纯文本类型的文件，如TXT文件等，但不能处理图像视频等非文本文件。用一句话说就是：字节流可以处理一切文件，而字符流只能处理纯文本文件。
字节流本身没有缓冲区，缓冲字节流相对于字节流，效率提升非常高。而字符流本身就带有缓冲区，缓冲字符流相对于字符流效率提升就不是那么大了。详见文末效率对比。

以写文件为例，我们查看字符流的源码，发现确实有利用到缓冲区：

3、节点流和处理流

节点流：直接操作数据读写的流类，比如FileInputStream

处理流：对一个已存在的流的链接和封装，通过对数据进行处理为程序提供功能强大、灵活的读写功能，例如BufferedInputStream（缓冲字节流）

处理流和节点流应用了Java的装饰者设计模式。

下图就很形象地描绘了节点流和处理流，处理流是对节点流的封装，最终的数据处理还是由节点流完成的。

在诸多处理流中，有一个非常重要，那就是缓冲流。

我们知道，程序与磁盘的交互相对于内存运算是很慢的，容易成为程序的性能瓶颈。减少程序与磁盘的交互，是提升程序效率一种有效手段。缓冲流，就应用这种思路：普通流每次读写一个字节，而缓冲流在内存中设置一个缓存区，缓冲区先存储足够的待操作数据后，再与内存或磁盘进行交互。这样，在总数据量不变的情况下，通过提高每次交互的数据量，减少了交互次数。

联想一下生活中的例子，我们搬砖的时候，一块一块地往车上装肯定是很低效的。我们可以使用一个小推车，先把砖装到小推车上，再把这小推车推到车前，把砖装到车上。这个例子中，小推车可以视为缓冲区，小推车的存在，减少了我们装车次数，从而提高了效率。

需要注意的是，缓冲流效率一定高吗？不一定，某些情形下，缓冲流效率反而更低，具体请见IO流效率对比。

完整的IO分类图如下：

1.2 案例实操

接下来，我们看看如何使用Java IO。

文本读写的例子，也就是文章开头所说的，将“松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。”写入本地文本，然后再从文件读取内容并输出到控制台。

1、FileInputStream、FileOutputStream（字节流）

字节流的方式效率较低，不建议使用

public class IOTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File file = new File("D:/test.txt");

        write(file);
        System.out.println(read(file));
    }

    public static void write(File file) throws IOException {
        OutputStream os = new FileOutputStream(file, true);

        // 要写入的字符串
        String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";
        // 写入文件
        os.write(string.getBytes());
        // 关闭流
        os.close();
    }

    public static String read(File file) throws IOException {
        InputStream in = new FileInputStream(file);

        // 一次性取多少个字节
        byte[] bytes = new byte[1024];
        // 用来接收读取的字节数组
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        // 读取到的字节数组长度，为-1时表示没有数据
        int length = 0;
        // 循环取数据
        while ((length = in.read(bytes)) != -1) {
            // 将读取的内容转换成字符串
            sb.append(new String(bytes, 0, length));
        }
        // 关闭流
        in.close();

        return sb.toString();
    }
}

2、BufferedInputStream、BufferedOutputStream（缓冲字节流）

缓冲字节流是为高效率而设计的，真正的读写操作还是靠FileOutputStream和FileInputStream，所以其构造方法入参是这两个类的对象也就不奇怪了。

public class IOTest {

    public static void write(File file) throws IOException {
        // 缓冲字节流，提高了效率
        BufferedOutputStream bis = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file, true));

        // 要写入的字符串
        String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";
        // 写入文件
        bis.write(string.getBytes());
        // 关闭流
        bis.close();
    }

    public static String read(File file) throws IOException {
        BufferedInputStream fis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(file));

        // 一次性取多少个字节
        byte[] bytes = new byte[1024];
        // 用来接收读取的字节数组
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        // 读取到的字节数组长度，为-1时表示没有数据
        int length = 0;
        // 循环取数据
        while ((length = fis.read(bytes)) != -1) {
            // 将读取的内容转换成字符串
            sb.append(new String(bytes, 0, length));
        }
        // 关闭流
        fis.close();

        return sb.toString();
    }
}

3、InputStreamReader、OutputStreamWriter（字符流）

字符流适用于文本文件的读写，OutputStreamWriter类其实也是借助FileOutputStream类实现的，故其构造方法是FileOutputStream的对象

public class IOTest {

    public static void write(File file) throws IOException {
        // OutputStreamWriter可以显示指定字符集，否则使用默认字符集
        OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream(file, true), "UTF-8");

        // 要写入的字符串
        String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";
        osw.write(string);
        osw.close();
    }

    public static String read(File file) throws IOException {
        InputStreamReader isr = new InputStreamReader(new FileInputStream(file), "UTF-8");
        // 字符数组：一次读取多少个字符
        char[] chars = new char[1024];
        // 每次读取的字符数组先append到StringBuilder中
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        // 读取到的字符数组长度，为-1时表示没有数据
        int length;
        // 循环取数据
        while ((length = isr.read(chars)) != -1) {
            // 将读取的内容转换成字符串
            sb.append(chars, 0, length);
        }
        // 关闭流
        isr.close();

        return sb.toString()
    }
}

4、字符流便捷类

Java提供了FileWriter和FileReader简化字符流的读写，new FileWriter等同于new OutputStreamWriter(new FileOutputStream(file, true))

public class IOTest {

    public static void write(File file) throws IOException {
        FileWriter fw = new FileWriter(file, true);

        // 要写入的字符串
        String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";
        fw.write(string);
        fw.close();
    }

    public static String read(File file) throws IOException {
        FileReader fr = new FileReader(file);
        // 一次性取多少个字节
        char[] chars = new char[1024];
        // 用来接收读取的字节数组
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        // 读取到的字节数组长度，为-1时表示没有数据
        int length;
        // 循环取数据
        while ((length = fr.read(chars)) != -1) {
            // 将读取的内容转换成字符串
            sb.append(chars, 0, length);
        }
        // 关闭流
        fr.close();

        return sb.toString();
    }
}

5、BufferedReader、BufferedWriter（字符缓冲流）

public class IOTest {

    public static void write(File file) throws IOException {
        // BufferedWriter fw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(new
        // FileOutputStream(file, true), "UTF-8"));
        // FileWriter可以大幅度简化代码
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter(file, true));

        // 要写入的字符串
        String string = "松下问童子，言师采药去。只在此山中，云深不知处。";
        bw.write(string);
        bw.close();
    }

    public static String read(File file) throws IOException {
        BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader(file));
        // 用来接收读取的字节数组
        StringBuilder sb = new StringBuilder();

        // 按行读数据
        String line;
        // 循环取数据
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            // 将读取的内容转换成字符串
            sb.append(line);
        }
        // 关闭流
        br.close();

        return sb.toString();
    }
}

2 IO流对象

第一节中，我们大致了解了IO，并完成了几个案例，但对IO还缺乏更详细的认知，那么接下来我们就对Java IO细细分解，梳理出完整的知识体系来。

Java种提供了40多个类，我们只需要详细了解一下其中比较重要的就可以满足日常应用了。

2.1 File类

File类是用来操作文件的类，但它不能操作文件中的数据。

public class File extends Object implements Serializable, Comparable<File>

File类实现了Serializable、 Comparable<File>，说明它是支持序列化和排序的。

File类的构造方法

File类的常用方法

File类使用实例

public class FileTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File file = new File("C:/Mu/fileTest.txt");

        // 判断文件是否存在
        if (!file.exists()) {
            // 不存在则创建
            file.createNewFile();
        }
        System.out.println("文件的绝对路径：" + file.getAbsolutePath());
        System.out.println("文件的大小：" + file.length());

        // 刪除文件
        file.delete();
    }
}

2.2 字节流

InputStream与OutputStream是两个抽象类，是字节流的基类，所有具体的字节流实现类都是分别继承了这两个类。

以InputStream为例，它继承了Object，实现了Closeable

public abstract class InputStream
extends Object
implements Closeable

InputStream类有很多的实现子类，下面列举了一些比较常用的：

详细说明一下上图中的类：

InputStream：InputStream是所有字节输入流的抽象基类，前面说过抽象类不能被实例化，实际上是作为模板而存在的，为所有实现类定义了处理输入流的方法。
FileInputSream：文件输入流，一个非常重要的字节输入流，用于对文件进行读取操作。
PipedInputStream：管道字节输入流，能实现多线程间的管道通信。
ByteArrayInputStream：字节数组输入流，从字节数组(byte[])中进行以字节为单位的读取，也就是将资源文件都以字节的形式存入到该类中的字节数组中去。
FilterInputStream：装饰者类，具体的装饰者继承该类，这些类都是处理类，作用是对节点类进行封装，实现一些特殊功能。
DataInputStream：数据输入流，它是用来装饰其它输入流，作用是“允许应用程序以与机器无关方式从底层输入流中读取基本 Java 数据类型”。
BufferedInputStream：缓冲流，对节点流进行装饰，内部会有一个缓存区，用来存放字节，每次都是将缓存区存满然后发送，而不是一个字节或两个字节这样发送，效率更高。
ObjectInputStream：对象输入流，用来提供对基本数据或对象的持久存储。通俗点说，也就是能直接传输对象，通常应用在反序列化中。它也是一种处理流，构造器的入参是一个InputStream的实例对象。

OutputStream类继承关系图：

OutputStream类继承关系与InputStream类似，需要注意的是PrintStream.

2.3 字符流

与字节流类似，字符流也有两个抽象基类，分别是Reader和Writer。其他的字符流实现类都是继承了这两个类。

以Reader为例，它的主要实现子类如下图：

各个类的详细说明：

InputStreamReader：从字节流到字符流的桥梁（InputStreamReader构造器入参是FileInputStream的实例对象），它读取字节并使用指定的字符集将其解码为字符。它使用的字符集可以通过名称指定，也可以显式给定，或者可以接受平台的默认字符集。
BufferedReader：从字符输入流中读取文本，设置一个缓冲区来提高效率。BufferedReader是对InputStreamReader的封装，前者构造器的入参就是后者的一个实例对象。
FileReader：用于读取字符文件的便利类，new FileReader(File file)等同于new InputStreamReader(new FileInputStream(file, true),"UTF-8")，但FileReader不能指定字符编码和默认字节缓冲区大小。
PipedReader ：管道字符输入流。实现多线程间的管道通信。
CharArrayReader：从Char数组中读取数据的介质流。
StringReader ：从String中读取数据的介质流。

Writer与Reader结构类似，方向相反，不再赘述。唯一有区别的是，Writer的子类PrintWriter。

2.4 序列化

待续…

3 IO流方法

3.1 字节流方法

字节输入流InputStream主要方法：

read() ：从此输入流中读取一个数据字节。
read(byte[] b) ：从此输入流中将最多 b.length 个字节的数据读入一个 byte 数组中。
read(byte[] b, int off, int len) ：从此输入流中将最多 len 个字节的数据读入一个 byte 数组中。
close()：关闭此输入流并释放与该流关联的所有系统资源。

字节输出流OutputStream主要方法：

write(byte[] b) ：将 b.length 个字节从指定 byte 数组写入此文件输出流中。
write(byte[] b, int off, int len) ：将指定 byte 数组中从偏移量 off 开始的 len 个字节写入此文件输出流。
write(int b) ：将指定字节写入此文件输出流。
close() ：关闭此输入流并释放与该流关联的所有系统资源。

3.2 字符流方法

字符输入流Reader主要方法：

read()：读取单个字符。
read(char[] cbuf) ：将字符读入数组。
read(char[] cbuf, int off, int len) ：将字符读入数组的某一部分。
read(CharBuffer target) ：试图将字符读入指定的字符缓冲区。
flush() ：刷新该流的缓冲。
close() ：关闭此流，但要先刷新它。

字符输出流Writer主要方法：

write(char[] cbuf) ：写入字符数组。
write(char[] cbuf, int off, int len) ：写入字符数组的某一部分。
write(int c) ：写入单个字符。
write(String str) ：写入字符串。
write(String str, int off, int len) ：写入字符串的某一部分。
flush() ：刷新该流的缓冲。
close() ：关闭此流，但要先刷新它。

另外，字符缓冲流还有两个独特的方法：

BufferedWriter类newLine() ：写入一个行分隔符。这个方法会自动适配所在系统的行分隔符。
BufferedReader类readLine() ：读取一个文本行。

4 附加内容

4.1 位、字节、字符

字节(Byte)是计量单位，表示数据量多少，是计算机信息技术用于计量存储容量的一种计量单位，通常情况下一字节等于八位。

字符(Character)计算机中使用的字母、数字、字和符号，比如’A’、‘B’、’$’、’&'等。

一般在英文状态下一个字母或字符占用一个字节，一个汉字用两个字节表示。

字节与字符：

ASCII 码中，一个英文字母（不分大小写）为一个字节，一个中文汉字为两个字节。
UTF-8 编码中，一个英文字为一个字节，一个中文为三个字节。
Unicode 编码中，一个英文为一个字节，一个中文为两个字节。
符号：英文标点为一个字节，中文标点为两个字节。例如：英文句号 . 占1个字节的大小，中文句号。占2个字节的大小。
UTF-16 编码中，一个英文字母字符或一个汉字字符存储都需要 2 个字节（Unicode 扩展区的一些汉字存储需要 4 个字节）。
UTF-32 编码中，世界上任何字符的存储都需要 4 个字节。

4.2 IO流效率对比

首先，对比下普通字节流和缓冲字节流的效率：

public class MyTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File file = new File("C:/Mu/test.txt");
        StringBuilder sb = new StringBuilder();

        for (int i = 0; i < 3000000; i++) {
            sb.append("abcdefghigklmnopqrstuvwsyz");
        }
        byte[] bytes = sb.toString().getBytes();

        long start = System.currentTimeMillis();
        write(file, bytes);
        long end = System.currentTimeMillis();

        long start2 = System.currentTimeMillis();
        bufferedWrite(file, bytes);
        long end2 = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("普通字节流耗时：" + (end - start) + " ms");
        System.out.println("缓冲字节流耗时：" + (end2 - start2) + " ms");

    }

    // 普通字节流
    public static void write(File file, byte[] bytes) throws IOException {
        OutputStream os = new FileOutputStream(file);
        os.write(bytes);
        os.close();
    }

    // 缓冲字节流
    public static void bufferedWrite(File file, byte[] bytes) throws IOException {
        BufferedOutputStream bo = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file));
        bo.write(bytes);
        bo.close();
    }
}

运行结果：

普通字节流耗时：250 ms
缓冲字节流耗时：268 ms

这个结果让我大跌眼镜，不是说好缓冲流效率很高么？要知道为什么，只能去源码里找答案了。翻看字节缓冲流的write方法：

public synchronized void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {
    if (len >= buf.length) {
        /* If the request length exceeds the size of the output buffer,
           flush the output buffer and then write the data directly.
           In this way buffered streams will cascade harmlessly. */
        flushBuffer();
        out.write(b, off, len);
        return;
    }
    if (len > buf.length - count) {
        flushBuffer();
    }
    System.arraycopy(b, off, buf, count, len);
    count += len;
}

注释里说得很明白：如果请求长度超过输出缓冲区的大小，刷新输出缓冲区，然后直接写入数据。这样，缓冲流将无害地级联。

但是，至于为什么这么设计，我没有想明白，有哪位明白的大佬可以留言指点一下。

基于上面的情形，要想对比普通字节流和缓冲字节流的效率差距，就要避免直接读写较长的字符串，于是，设计了下面这个对比案例：用字节流和缓冲字节流分别复制文件。

public class MyTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File data = new File("C:/Mu/data.zip");
        File a = new File("C:/Mu/a.zip");
        File b = new File("C:/Mu/b.zip");

        StringBuilder sb = new StringBuilder();

        long start = System.currentTimeMillis();
        copy(data, a);
        long end = System.currentTimeMillis();

        long start2 = System.currentTimeMillis();
        bufferedCopy(data, b);
        long end2 = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("普通字节流耗时：" + (end - start) + " ms");
        System.out.println("缓冲字节流耗时：" + (end2 - start2) + " ms");
    }

    // 普通字节流
    public static void copy(File in, File out) throws IOException {
        // 封装数据源
        InputStream is = new FileInputStream(in);
        // 封装目的地
        OutputStream os = new FileOutputStream(out);

        int by = 0;
        while ((by = is.read()) != -1) {
            os.write(by);
        }
        is.close();
        os.close();
    }

    // 缓冲字节流
    public static void bufferedCopy(File in, File out) throws IOException {
        // 封装数据源
        BufferedInputStream bi = new BufferedInputStream(new FileInputStream(in));
        // 封装目的地
        BufferedOutputStream bo = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(out));

        int by = 0;
        while ((by = bi.read()) != -1) {
            bo.write(by);
        }
        bo.close();
        bi.close();
    }
}

运行结果：

普通字节流耗时：184867 ms
缓冲字节流耗时：752 ms

这次，普通字节流和缓冲字节流的效率差异就很明显了，达到了245倍。

再看看字符流和缓冲字符流的效率对比：

public class IOTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 数据准备
        dataReady();

        File data = new File("C:/Mu/data.txt");
        File a = new File("C:/Mu/a.txt");
        File b = new File("C:/Mu/b.txt");
        File c = new File("C:/Mu/c.txt");

        long start = System.currentTimeMillis();
        copy(data, a);
        long end = System.currentTimeMillis();

        long start2 = System.currentTimeMillis();
        copyChars(data, b);
        long end2 = System.currentTimeMillis();

        long start3 = System.currentTimeMillis();
        bufferedCopy(data, c);
        long end3 = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("普通字节流1耗时：" + (end - start) 
                           + " ms,文件大小：" + a.length() / 1024 + " kb");
        System.out.println("普通字节流2耗时：" + (end2 - start2) 
                           + " ms,文件大小：" + b.length() / 1024 + " kb");
        System.out.println("缓冲字节流耗时：" + (end3 - start3) 
                           + " ms,文件大小：" + c.length() / 1024 + " kb");
    }

    // 普通字符流不使用数组
    public static void copy(File in, File out) throws IOException {
        Reader reader = new FileReader(in);
        Writer writer = new FileWriter(out);

        int ch = 0;
        while ((ch = reader.read()) != -1) {
            writer.write((char) ch);
        }
        reader.close();
        writer.close();
    }

    // 普通字符流使用字符流
    public static void copyChars(File in, File out) throws IOException {
        Reader reader = new FileReader(in);
        Writer writer = new FileWriter(out);

        char[] chs = new char[1024];
        while ((reader.read(chs)) != -1) {
            writer.write(chs);
        }
        reader.close();
        writer.close();
    }

    // 缓冲字符流
    public static void bufferedCopy(File in, File out) throws IOException {
        BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader(in));
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter(out));

        String line = null;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            bw.write(line);
            bw.newLine();
            bw.flush();
        }

        // 释放资源
        bw.close();
        br.close();
    }

    // 数据准备
    public static void dataReady() throws IOException {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < 600000; i++) {
            sb.append("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz");
        }
        OutputStream os = new FileOutputStream(new File("C:/Mu/data.txt"));
        os.write(sb.toString().getBytes());

        os.close();
        System.out.println("完毕");
    }
}

运行结果：

普通字符流1耗时：1337 ms,文件大小：15234 kb
普通字符流2耗时：82 ms,文件大小：15235 kb
缓冲字符流耗时：205 ms,文件大小：15234 kb

测试多次，结果差不多，可见字符缓冲流效率上并没有明显提高，我们更多的是要使用它的readLine()和newLine()方法。

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