Java 编程要点之 I/O 流详解

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本文详细介绍了 Java I/O 流的基础用法和原理。

字节流(Byte Streams)

字节流处理原始的二进制数据 I/O。输入输出的是8位字节，相关的类为 InputStream 和 OutputStream.

字节流的类有许多。为了演示字节流的工作，我们将重点放在文件 I/O字节流 FileInputStream 和 FileOutputStream 上。其他种类的字节流用法类似，主要区别在于它们构造的方式，大家可以举一反三。

用法

下面一例子 CopyBytes， 从 xanadu.txt 文件复制到 outagain.txt，每次只复制一个字节：

public class CopyBytes {
    /**
     * @param args
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileInputStream in = null;
        FileOutputStream out = null;

        try {
            in = new FileInputStream("resources/xanadu.txt");
            out = new FileOutputStream("resources/outagain.txt");
            int c;

            while ((c = in.read()) != -1) {
                out.write(c);
            }
        } finally {
            if (in != null) {
                in.close();
            }
            if (out != null) {
                out.close();
            }
        }
    }
}

CopyBytes 花费其大部分时间在简单的循环里面，从输入流每次读取一个字节到输出流，如图所示：

记得始终关闭流

不再需要一个流记得要关闭它，这点很重要。所以，CopyBytes 使用 finally 块来保证即使发生错误两个流还是能被关闭。这种做法有助于避免严重的资源泄漏。

一个可能的错误是，CopyBytes 无法打开一个或两个文件。当发生这种情况，对应解决方案是判断该文件的流是否是其初始 null 值。这就是为什么 CopyBytes 可以确保每个流变量在调用前都包含了一个对象的引用。

何时不使用字节流

CopyBytes 似乎是一个正常的程序，但它实际上代表了一种低级别的 I/O，你应该避免。因为 xanadu.txt 包含字符数据时，最好的方法是使用字符流，下文会有讨论。字节流应只用于最原始的 I/O。所有其他流类型是建立在字节流之上的。

字符流(Character Streams)

字符流处理字符数据的 I/O，自动处理与本地字符集转化。

Java 平台存储字符值使用 Unicode 约定。字符流 I/O 会自动将这个内部格式与本地字符集进行转换。在西方的语言环境中，本地字符集通常是 ASCII 的8位超集。

对于大多数应用，字符流的 I/O 不会比 字节流 I/O操作复杂。输入和输出流的类与本地字符集进行自动转换。使用字符的程序来代替字节流可以自动适应本地字符集，并可以准备国际化，而这完全不需要程序员额外的工作。

如果国际化不是一个优先事项，你可以简单地使用字符流类，而不必太注意字符集问题。以后，如果国际化成为当务之急，你的程序可以方便适应这种需求的扩展。见国际化获取更多信息。

用法

字符流类描述在 Reader 和 Writer。而对应文件 I/O ，在 FileReader 和 FileWriter，下面是一个 CopyCharacters 例子：

public class CopyCharacters {
    /**
     * @param args
     * @throws IOException 
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileReader inputStream = null;
        FileWriter outputStream = null;

        try {
            inputStream = new FileReader("resources/xanadu.txt");
            outputStream = new FileWriter("resources/characteroutput.txt");

            int c;
            while ((c = inputStream.read()) != -1) {
                outputStream.write(c);
            }
        } finally {
            if (inputStream != null) {
                inputStream.close();
            }
            if (outputStream != null) {
                outputStream.close();
            }
        }
    }
}

CopyCharacters 与 CopyBytes 是非常相似的。最重要的区别在于 CopyCharacters 使用的 FileReader 和 FileWriter 用于输入输出，而 CopyBytes 使用 FileInputStream 和FileOutputStream 中的。请注意，这两个CopyBytes和CopyCharacters使用int变量来读取和写入；在 CopyCharacters，int 变量保存在其最后的16位字符值;在 CopyBytes，int 变量保存在其最后的8位字节的值。

字符流使用字节流

字符流往往是对字节流的“包装”。字符流使用字节流来执行物理I/O，同时字符流处理字符和字节之间的转换。例如，FileReader 使用 FileInputStream，而 FileWriter使用的是 FileOutputStream。

有两种通用的字节到字符的“桥梁”流：InputStreamReader 和 OutputStreamWriter。当没有预包装的字符流类时，使用它们来创建字符流。在 socket 章节中将展示该用法。

面向行的 I/O

字符 I/O 通常发生在较大的单位不是单个字符。一个常用的单位是行：用行结束符结尾。行结束符可以是回车/换行序列（“\r\n”），一个回车（“\r”），或一个换行符（“\n”）。支持所有可能的行结束符，程序可以读取任何广泛使用的操作系统创建的文本文件。

修改 CopyCharacters 来演示如使用面向行的 I/O。要做到这一点，我们必须使用两个类，BufferedReader 和 PrintWriter 的。我们会在缓冲 I/O 和Formatting 章节更加深入地研究这些类。

该 CopyLines 示例调用 BufferedReader.readLine 和 PrintWriter.println 同时做一行的输入和输出。

public class CopyLines {
    /**
     * @param args
     * @throws IOException 
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        BufferedReader inputStream = null;
        PrintWriter outputStream = null;

        try {
            inputStream = new BufferedReader(new FileReader("resources/xanadu.txt"));
            outputStream = new PrintWriter(new FileWriter("resources/characteroutput.txt"));

            String l;
            while ((l = inputStream.readLine()) != null) {
                outputStream.println(l);
            }
        } finally {
            if (inputStream != null) {
                inputStream.close();
            }
            if (outputStream != null) {
                outputStream.close();
            }
        }
    }
}

调用 readLine 按行返回文本行。CopyLines 使用 println 输出带有当前操作系统的行终止符的每一行。这可能与输入文件中不是使用相同的行终止符。

除字符和行之外，有许多方法来构造文本的输入和输出。欲了解更多信息，请参阅 Scanning 和 Formatting。

缓冲流（Buffered Streams）

缓冲流通过减少调用本地 API 的次数来优化的输入和输出。

目前为止，大多数时候我们到看到使用非缓冲 I/O 的例子。这意味着每次读或写请求是由基础 OS 直接处理。这可以使一个程序效率低得多，因为每个这样的请求通常引发磁盘访问，网络活动，或一些其它的操作，而这些是相对昂贵的。

为了减少这种开销，所以 Java 平台实现缓冲 I/O 流。缓冲输入流从被称为缓冲区（buffer）的存储器区域读出数据;仅当缓冲区是空时，本地输入 API 才被调用。同样，缓冲输出流，将数据写入到缓存区，只有当缓冲区已满才调用本机输出 API。

程序可以转换的非缓冲流为缓冲流，这里用非缓冲流对象传递给缓冲流类的构造器。

inputStream = new BufferedReader(new FileReader("xanadu.txt"));
outputStream = new BufferedWriter(new FileWriter("characteroutput.txt"));

用于包装非缓存流的缓冲流类有4个：BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream 用于创建字节缓冲字节流, BufferedReader 和 BufferedWriter 用于创建字符缓冲字节流。

刷新缓冲流

刷新缓冲区是指在某个缓冲的关键点就可以将缓冲输出，而不必等待它填满。

一些缓冲输出类通过一个可选的构造函数参数支持 autoflush（自动刷新）。当自动刷新开启，某些关键事件会导致缓冲区被刷新。例如，自动刷新 PrintWriter 对象在每次调用 println 或者 format 时刷新缓冲区。查看 Formatting 了解更多关于这些的方法。

如果要手动刷新流，请调用其 flush 方法。flush 方法可以用于任何输出流，但对非缓冲流是没有效果的。

扫描（Scanning）和格式化（Formatting）

扫描和格式化允许程序读取和写入格式化的文本。

I/O 编程通常涉及对人类喜欢的整齐的格式化数据进行转换。为了帮助您与这些琐事，Java 平台提供了两个API。scanning API 使用分隔符模式将其输入分解为标记。formatting API 将数据重新组合成格式良好的，人类可读的形式。

扫描 将其输入分解为标记

默认情况下，Scanner 使用空格字符分隔标记。（空格字符包括空格，制表符和行终止符。为完整列表，请参阅 Character.isWhitespace）。示例 ScanXan 读取 xanadu.txt 的单个词语并打印他们：

public class ScanXan {
    /**
     * @param args
     * @throws IOException 
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Scanner s = null;

        try {
            s = new Scanner(new BufferedReader(new FileReader("resources/xanadu.txt")));

            while (s.hasNext()) {
                System.out.println(s.next());
            }
        } finally {
            if (s != null) {
                s.close();
            }
        }
    }
}

虽然 Scanner 不是流，但你仍然需要关闭它，以表明你与它的底层流执行完成。

调用 useDelimiter() ,指定一个正则表达式可以使用不同的标记分隔符。例如,假设您想要标记分隔符是一个逗号，后面可以跟空格。你会调用

s.useDelimiter(",\\s*");

转换成独立标记

该 ScanXan 示例是将所有的输入标记为简单的字符串值。Scanner 还支持所有的 Java 语言的基本类型（除 char），以及 BigInteger 和 BigDecimal 的。此外，数字值可以使用千位分隔符。因此，在一个美国的区域设置，Scanner 能正确地读出字符串“32,767”作为一个整数值。

这里要注意的是语言环境，因为千位分隔符和小数点符号是特定于语言环境。所以，下面的例子将无法正常在所有的语言环境中，如果我们没有指定 scanner 应该用在美国地区工作。可能你平时并不用关心，因为你输入的数据通常来自使用相同的语言环境。可以使用下面的语句来设置语言环境：

s.useLocale(Locale.US);

该 ScanSum 示例是将读取的 double 值列表进行相加：

public class ScanSum {
    /**
     * @param args
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Scanner s = null;
        double sum = 0;

        try {
            s = new Scanner(new BufferedReader(new FileReader("resources/usnumbers.txt")));
            s.useLocale(Locale.US);

            while (s.hasNext()) {
                if (s.hasNextDouble()) {
                    sum += s.nextDouble();
                } else {
                    s.next();
                }
            }
        } finally {
            s.close();
        }

        System.out.println(sum);
    }
}

输出为:1032778.74159

格式化

实现格式化流对象要么是 字符流类的 PrintWriter 的实例，或为字节流类的 PrintStream 的实例。

注：对于 PrintStream 对象，你很可能只需要 System.out 和 System.err。 （请参阅命令行I/O）当你需要创建一个格式化的输出流，请实例化 PrintWriter，而不是 PrintStream。

像所有的字节和字符流对象一样，PrintStream 和 PrintWriter 的实例实现了一套标准的 write 方法用于简单的字节和字符输出。此外，PrintStream 和 PrintWriter 的执行同一套方法，将内部数据转换成格式化输出。提供了两个级别的格式： * print 和 println 在一个标准的方式里面格式化独立的值 。 * format 用于格式化几乎任何数量的格式字符串值，且具有多种精确选择。

print 和 println 方法

调用 print 或 println 输出使用适当 toString 方法变换后的值的单一值。我们可以看到这 Root 例子：

public class Root {
    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
            int i = 2;
        double r = Math.sqrt(i);

        System.out.print("The square root of ");
        System.out.print(i);
        System.out.print(" is ");
        System.out.print(r);
        System.out.println(".");

        i = 5;
        r = Math.sqrt(i);
        System.out.println("The square root of " + i + " is " + r + ".");
    }
}

输出为：

The square root of 2 is 1.4142135623730951.
The square root of 5 is 2.23606797749979.

在 i 和 r 变量格式化了两次：第一次在重载的 print 使用代码，第二次是由Java编译器转换码自动生成，它也利用了 toString。您可以用这种方式格式化任意值，但对于结果没有太多的控制权。

format 方法

该 format 方法用于格式化基于 format string（格式字符串） 多参。格式字符串包含嵌入了 format specifiers （格式说明)的静态文本;除非使用了格式说明，否则格式字符串输出不变。

格式字符串支持许多功能。在本教程中，我们只介绍一些基础知识。有关完整说明，请参阅 API 规范关于格式字符串语法。

Root2 示例在一个 format 调用里面设置两个值：

public class Root2 {
    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        int i = 2;
        double r = Math.sqrt(i);

        System.out.format("The square root of %d is %f.%n", i, r);
    }
}

输出为：The square root of 2 is 1.414214.

像本例中所使用的格式为：

• d 格式化整数值为小数
• f 格式化浮点值作为小数
• n 输出特定于平台的行终止符。

这里有一些其他的转换格式：

• x 格式化整数为十六进制值
• s 格式化任何值作为字符串
• tB 格式化整数作为一个语言环境特定的月份名称。

还有许多其他的转换。

注意：除了 %% 和 %n，其他格式符都要匹配参数，否则抛出异常。在 Java 编程语言中，\ n转义总是产生换行符（\u000A）。不要使用\ñ除非你特别想要一个换行符。为了针对本地平台得到正确的行分隔符，请使用％n。

除了用于转换，格式说明符可以包含若干附加的元素，进一步定制格式化输出。下面是一个 Format 例子，使用一切可能的一种元素。

public class Format {
    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
         System.out.format("%f, %1$+020.10f %n", Math.PI);
    }
}

输出为：3.141593, +00000003.1415926536

附加元素都是可选的。下图显示了长格式符是如何分解成元素

元件必须出现在显示的顺序。从合适的工作，可选的元素是：

• Precision(精确)。对于浮点值，这是格式化值的数学精度。对于 s 和其他一般的转换，这是格式化值的最大宽度;该值右截断，如果有必要的。
• Width(宽度)。格式化值的最小宽度;如有必要，该值被填充。默认值是左用空格填充。
• Flags(标志)指定附加格式设置选项。在 Format 示例中，+ 标志指定的数量应始终标志格式，以及0标志指定0是填充字符。其他的标志包括 - （垫右侧）和（与区域特定的千位分隔符格式号）。请注意，某些标志不能与某些其他标志或与某些转换使用。
• Argument Index(参数索引)允许您指定的参数明确匹配。您还可以指定