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IO

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IO是指Input/Output,即输入和输出。以内存为中心:

  • Input指从外部读入数据到内存,例如,把文件从磁盘读取到内存,从网络读取数据到内存等等。

  • Output指把数据从内存输出到外部,例如,把数据从内存写入到文件,把数据从内存输出到网络等等。

为什么要把数据读到内存才能处理这些数据?因为代码是在内存中运行的,数据也必须读到内存,最终的表示方式无非是byte数组,字符串等,都必须存放在内存里。

从Java代码来看,输入实际上就是从外部,例如,硬盘上的某个文件,把内容读到内存,并且以Java提供的某种数据类型表示,例如,byte[]String,这样,后续代码才能处理这些数据。

因为内存有“易失性”的特点,所以必须把处理后的数据以某种方式输出,例如,写入到文件。Output实际上就是把Java表示的数据格式,例如,byte[]String等输出到某个地方。

IO流是一种顺序读写数据的模式,它的特点是单向流动。数据类似自来水一样在水管中流动,所以我们把它称为IO流。

java-io

InputStream / OutputStream

IO流以byte(字节)为最小单位,因此也称为字节流。例如,我们要从磁盘读入一个文件,包含6个字符,就相当于读入了6个字节的数据:

╔════════════╗
║   Memory   ║
╚════════════╝
       ▲
       │0x48
       │0x65
       │0x6c
       │0x6c
       │0x6f
       │0x21
 ╔═══════════╗
 ║ Hard Disk ║
 ╚═══════════╝

这6个字节是按顺序读入的,所以是输入字节流。

反过来,我们把6个字节从内存写入磁盘文件,就是输出字节流:

╔════════════╗
║   Memory   ║
╚════════════╝
       │0x21
       │0x6f
       │0x6c
       │0x6c
       │0x65
       │0x48
       ▼
 ╔═══════════╗
 ║ Hard Disk ║
 ╚═══════════╝

在Java中,InputStream代表输入字节流,OuputStream代表输出字节流,这是最基本的两种IO流。

Reader / Writer

如果我们需要读写的是字符,并且字符不全是单字节表示的ASCII字符,那么,按照char来读写显然更方便,这种流称为字符流

Java提供了ReaderWriter表示字符流,字符流传输的最小数据单位是char

例如,我们把char[]数组Hi你好这4个字符用Writer字符流写入文件,并且使用UTF-8编码,得到的最终文件内容是8个字节,英文字符Hi各占一个字节,中文字符你好各占3个字节:

0x48
0x69
0xe4bda0
0xe5a5bd

反过来,我们用Reader读取以UTF-8编码的这8个字节,会从Reader中得到Hi你好这4个字符。

因此,ReaderWriter本质上是一个能自动编解码的InputStreamOutputStream

使用Reader,数据源虽然是字节,但我们读入的数据都是char类型的字符,原因是Reader内部把读入的byte做了编码,转换成了char。使用InputStream,我们读入的数据和原始二进制数据一模一样,是byte[]数组,但是我们可以自己把二进制byte[]数组按照某种编码转换为字符串。究竟使用Reader还是InputStream,要取决于具体的使用场景。如果数据源不是文本,就只能使用InputStream,如果数据源是文本,使用Reader更方便一些。WriterOutputStream是类似的。

同步和异步

同步IO是指,读写IO时代码必须等待数据返回后才继续执行后续代码,它的优点是代码编写简单,缺点是CPU执行效率低。

而异步IO是指,读写IO时仅发出请求,然后立刻执行后续代码,它的优点是CPU执行效率高,缺点是代码编写复杂。

Java标准库的包java.io提供了同步IO,而java.nio则是异步IO。上面我们讨论的InputStreamOutputStreamReaderWriter都是同步IO的抽象类,对应的具体实现类,以文件为例,有FileInputStreamFileOutputStreamFileReaderFileWriter

本节我们只讨论Java的同步IO,即输入/输出流的IO模型。

小结

IO流是一种流式的数据输入/输出模型:

  • 二进制数据以byte为最小单位在InputStream/OutputStream中单向流动;

  • 字符数据以char为最小单位在Reader/Writer中单向流动。

Java标准库的java.io包提供了同步IO功能:

  • 字节流接口:InputStream/OutputStream

  • 字符流接口:Reader/Writer


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