java中的IO流
java中的IO流
前言：
在java中IO類很龐大，初學的時候覺得傻傻分不清楚。其實java流歸根結底的原理是普通字節(jié)流，字節(jié)緩沖流，轉換流。最基礎的是普通字節(jié)流，即從硬盤讀取字節(jié)寫入到內(nèi)存中，但在實際使用中又發(fā)現(xiàn)一些特殊的需求，所以java語言的設計者這引入了字節(jié)緩沖流和轉換流。所有的java IO類對IO的處理都是基于這三種流中的一種或多種；在介紹完三種流的概念之后，會對IO流的部分java類做介紹。
1.普通字節(jié)流
以FileInputStream為例子。FileInputStream的硬盤讀取方式分為兩種，一次讀取一個字節(jié)和一次讀取一個字節(jié)數(shù)組。字節(jié)數(shù)組的大小不同，實際IO耗時也不同，1為示例代碼，3展示了1代碼中讀寫耗時隨字節(jié)數(shù)組大小的變化趨勢。隨著字節(jié)數(shù)組的增大，讀寫耗時減小，主要是硬盤尋道時間（seek time）和旋轉時間（rotational latency）的減少。在硬盤讀寫耗時很長時，內(nèi)存讀寫的耗時相比硬盤讀寫可以忽略，硬盤讀寫的耗時分為尋道時間（seek time）、旋轉時間（rotational latency）和傳輸時間（transfer time），傳輸時間相對于尋道時間和旋轉時間(尋道時間和旋轉時間后合并稱為尋址時間)可以忽略【1】。硬盤的尋址時間在一個塊中的第一個字節(jié)耗時長，一個塊中的其余字節(jié)可以忽略。當字節(jié)數(shù)組增大時（從32增加到1024*16 byte），尋址一個塊中的第一個字節(jié)的場景線性減少，尋址時間也線性減少，因此IO耗時呈線性減少趨勢。當字節(jié)數(shù)組大小繼續(xù)增大（從1024 * 8增加到1024 * 1024 * 16），此時尋址時間已降到很低，相比傳輸時間可以忽略時，IO耗時的變化趨于平穩(wěn)。當字節(jié)數(shù)組大小繼續(xù)增大時，讀寫耗時又出現(xiàn)增大的趨勢，這個我還沒找到原因。當在數(shù)組較大（大于1024 *1024 *4）時，read(byte[])方法中除去讀寫之外也會有其它耗時，測試代碼如2，測試數(shù)據(jù)如圖3附表，這個機制我還不清楚（可能需要深入了解jvm的底層實現(xiàn)了），3中在計算讀寫耗時時應減去這部分時間。
示例代碼
public class Demo01_Copy {
public static void main(String[] args) throws IOException {
File src = new File ("e:\\foxit_Offline_FoxitInst.exe");
File dest = new File("e:\\ithema\\foxit_Offline_FoxitInst.exe");
byte[] bytes = new byte[1024*128];//調(diào)整字節(jié)數(shù)組的大小，看IO耗時的變化
long time1 = System.currentTimeMillis();
copyFile2(src,dest,bytes);
long time2 = System.currentTimeMillis();
System.out.println(time2 -time1);
}
public static void copyFile2(File src,File dest,byte[] bytes) throws IOException{
InputStream in = new FileInputStream(src);
OutputStream os = new FileOutputStream(dest);
int len = 0;
while((len = in.read(bytes))!=-1){
os.write(bytes,0,len);
}
in.close();
os.close();
}
}
1.通過FileInputStream一次讀取一個字節(jié)數(shù)組
public class Demo02_Copy {
public static void main(String[] args) throws IOException {
File src = new File ("e:\\1.txt");
File dest = new File("e:\\ithema\\1.txt");
byte[] bytes = new byte[1024*128];//調(diào)整字節(jié)數(shù)組的大小，看IO耗時的變化
long time1 = System.currentTimeMillis();
copyFile2(src,dest,bytes);
long time2 = System.currentTimeMillis();
System.out.println(time2 -time1);
}
public static void copyFile2(File src,File dest,byte[] bytes) throws IOException{
InputStream in = new FileInputStream(src);
OutputStream os = new FileOutputStream(dest);
int len = 0;
while((len = in.read(bytes))!=-1){
os.write(bytes,0,len);
}
in.close();
os.close();
}
}
2.測試除硬盤內(nèi)存讀寫外的其它耗時（1.txt文件為空）
3.當字節(jié)數(shù)組大小變化，讀寫總耗時的變化趨勢（折線圖數(shù)據(jù)來源于表格中藍色背景填充的數(shù)據(jù)）
當數(shù)組大小從32逐漸增大到1024*16byte時，IO耗時呈線性減少，這基于FileInputStream的read(byte[])實現(xiàn)。read(byte[])的源碼如4所示，read(byte b[])是一個本地方法，它保證了硬盤的尋址時間在讀取一個數(shù)組大小的字節(jié)塊的第一個字節(jié)耗時較長，字節(jié)塊的其余字節(jié)可以忽略。而相對于read()方法，一個字節(jié)一個字節(jié)讀取，每讀取一個字節(jié)都要重新進行硬盤尋址。
public class FileInputStream extends InputStream
{
public int read(byte b[]) throws IOException {
return readBytes(b, 0, b.length);
}
/**
* Reads a subarray as a sequence of bytes.
* @param b the data to be written
* @param off the start offset in the data
* @param len the number of bytes that are written
* @exception IOException If an I/O error has occurred.
*/
private native int readBytes(byte b[], int off, int len) throws IOException;
}
4.FileInputStream 的 read(byte[]) 方法源碼
2.字節(jié)緩沖流
假設現(xiàn)在你要寫一個程序以計算一個text文件的行數(shù)。一種方法是使用read()方法從硬盤中一次讀取1個字節(jié)到內(nèi)存中，并檢查該字節(jié)是不是換行符“\n”【2】。這種方法已被證明是低效的。
更好的方法是使用字節(jié)緩沖流，先將字節(jié)從硬盤一次讀取一個緩沖區(qū)大小的字節(jié)到內(nèi)存中的讀緩沖區(qū)，然后在從讀緩沖區(qū)中一次讀取一個字節(jié)。在逐字節(jié)讀取讀取緩沖區(qū)時，檢查字節(jié)是不是換行符'\n'。字節(jié)緩沖流BufferedInputStream的源碼如5所示，先從硬盤讀取一個緩沖大小的字節(jié)塊到緩沖區(qū)，然后逐個讀取緩沖區(qū)的字節(jié)；當緩沖區(qū)的字節(jié)讀取完畢后，在調(diào)用fill()方法填充緩沖區(qū)。字節(jié)緩沖流BufferedInputStream的緩沖區(qū)大小為8192。6中對比了字節(jié)緩沖流和普通字節(jié)流的讀寫效率；字節(jié)緩沖流的讀耗時僅為8ms，而沒有緩沖區(qū)的普通字節(jié)流的耗時為567ms。圖7中展示了6中字節(jié)緩沖流讀寫文件的示意圖。
public class BufferedInputStream extends FilterInputStream {
private static int DEFAULT_BUFFER_SIZE = 8192;
public synchronized int read() throws IOException {
//當緩沖區(qū)的字節(jié)已被讀取完畢后，調(diào)用fill()方法從硬盤讀取字節(jié)塊填充緩沖區(qū)；
if (pos >= count) {
fill();
if (pos >= count)
return -1;
}
//返回緩沖區(qū)的一個字節(jié)
return getBufIfOpen()[pos++] & 0xff;
}
private void fill() throws IOException {
byte[] buffer = getBufIfOpen();
//初始定義int markpos = -1;
if (markpos < 0)
pos = 0; /* no mark: throw away the buffer */
else if (pos >= buffer.length) /* no room left in buffer */
if (markpos > 0) { /* can throw away early part of the buffer */
int sz = pos - markpos;
System.arraycopy(buffer, markpos, buffer, 0, sz);
pos = sz;
markpos = 0;
} else if (buffer.length >= marklimit) {
markpos = -1; /* buffer got too big, invalidate mark */
pos = 0; /* drop buffer contents */
} else if (buffer.length >= MAX_BUFFER_SIZE) {
throw new OutOfMemoryError("Required array size too large");
} else { /* grow buffer */
int nsz = (pos <= MAX_BUFFER_SIZE - pos) ?
pos * 2 : MAX_BUFFER_SIZE;
if (nsz > marklimit)
nsz = marklimit;
byte nbuf[] = new byte[nsz];
System.arraycopy(buffer, 0, nbuf, 0, pos);
if (!bufUpdater.compareAndSet(this, buffer, nbuf)) {
// Can't replace buf if there was an async close.
// Note: This would need to be changed if fill()
// is ever made accessible to multiple threads.
// But for now, the only way CAS can fail is via close.
// assert buf == null;
throw new IOException("Stream closed");
}
buffer = nbuf;
}
count = pos;
//從硬盤讀取一個緩沖區(qū)大小的塊到緩沖區(qū)
int n = getInIfOpen().read(buffer, pos, buffer.length - pos);
if (n > 0)
count = n + pos;
}
}
5.BufferedInputStream的read()方法源碼
public class Demo03_Copy {
public static void main(String[] args) throws IOException {
File src = new File ("e:\\settings.xml");
File dest = new File("e:\\ithema\\settings.xml");
byte[] bytes = new byte[1024*128];
long time1 = System.currentTimeMillis();
//耗時：567 ms
//copyFile1(src,dest);
//耗時：8 ms
copyFile3(src,dest);
long time2 = System.currentTimeMillis();
System.out.println(time2 -time1);
}
//使用普通字節(jié)流
public static void copyFile1(File src,File dest) throws IOException{
InputStream in = new FileInputStream(src);
OutputStream os = new FileOutputStream(dest);
int len = 0;
int lineSum = 1;
while((len = in.read())!= -1){
if(len == '\n'){
lineSum++;
}
os.write(len);
}
System.out.println("lineSum:"+lineSum);
in.close();
os.close();
}
//使用字節(jié)緩沖流
public static void copyFile3(File src,File dest) throws IOException{
InputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream(src));
OutputStream os = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(dest));
int len = 0;
int lineSum = 1;
while((len = in.read())!=-1){
if(len == '\n'){
lineSum ++;
}
os.write(len);
}
System.out.println("lineSum:"+lineSum);
in.close();
os.close();
}
}
6.字節(jié)緩沖流和普通字節(jié)流的讀寫效率對比
7.使用字節(jié)緩沖流在圖6中讀寫文件的示意圖
3.轉換流
轉換流實現(xiàn)了在指定的編碼方式下進行字節(jié)編碼和字符編碼的轉換。轉換流如果直接從硬盤一次一個字節(jié)讀取的轉換流效率也很低，所以轉換流一般都是基于字節(jié)緩沖流的。轉換流InputStreamReader的使用如8所示，圖中代碼底層的執(zhí)行流程圖如9所示。InputStreamReader 的源碼解析圖如10所示，轉碼的關鍵代碼如11所示。如11，一個字符的字符編碼所占字節(jié)個數(shù)固定為2個字節(jié)，但一個字符的字符編碼經(jīng)過轉換流按UTF-8格式轉換為字節(jié)編碼后，字節(jié)編碼所占字節(jié)個數(shù)為1~4個。
public class Demo01_InputStreamReader {
public static void main(String[] args) throws IOException {
readUTF();
}
//一次讀取一個字符
public static void readUTF() throws IOException{
InputStreamReader isr = new InputStreamReader(new FileInputStream("e:\\2.txt"),"UTF-8");
int ch = 0;
while((ch = isr.read())!=-1){
System.out.println((char)ch);
}
isr.close();
}
}
8. 使用轉換流InputStreamReader一次讀取一個字符
9 .InputStreamReader在read()時的底層流程圖（文件中的字節(jié)編碼可通過FileInputStream讀取查看）
10 .InputStreamReader的read()源碼解析圖
class UTF_8 extends Unicode{
private CoderResult decodeArrayLoop(ByteBuffer paramByteBuffer, CharBuffer paramCharBuffer)
{
byte[] arrayOfByte = paramByteBuffer.array();
int i = paramByteBuffer.arrayOffset() + paramByteBuffer.position();
int j = paramByteBuffer.arrayOffset() + paramByteBuffer.limit();
char[] arrayOfChar = paramCharBuffer.array();
int k = paramCharBuffer.arrayOffset() + paramCharBuffer.position();
int m = paramCharBuffer.arrayOffset() + paramCharBuffer.limit();
int n = k + Math.min(j - i, m - k);
while ((k < n) && (arrayOfByte[i] >= 0))
arrayOfChar[(k++)] = (char)arrayOfByte[(i++)];
while (i < j)
{
int i1 = arrayOfByte[i];
if (i1 >= 0)
{
if (k >= m)
return xflow(paramByteBuffer, i, j, paramCharBuffer, k, 1);
arrayOfChar[(k++)] = (char)i1;
i++;
}
else
{
int i2;
if ((i1 >> 5 == -2) && ((i1 & 0x1E) != 0))
{
if ((j - i < 2) || (k >= m))
return xflow(paramByteBuffer, i, j, paramCharBuffer, k, 2);
i2 = arrayOfByte[(i + 1)];
if (isNotContinuation(i2))
return malformedForLength(paramByteBuffer, i, paramCharBuffer, k, 1);
arrayOfChar[(k++)] = (char)(i1 << 6 ^ i2 ^ 0xF80);
i += 2;
}
else
{
int i3;
int i4;
if (i1 >> 4 == -2)
{
i2 = j - i;
if ((i2 < 3) || (k >= m))
{
if ((i2 > 1) && (isMalformed3_2(i1, arrayOfByte[(i + 1)])))
return malformedForLength(paramByteBuffer, i, paramCharBuffer, k, 1);
return xflow(paramByteBuffer, i, j, paramCharBuffer, k, 3);
}
i3 = arrayOfByte[(i + 1)];
i4 = arrayOfByte[(i + 2)];
if (isMalformed3(i1, i3, i4))
return malformed(paramByteBuffer, i, paramCharBuffer, k, 3);
char c = (char)(i1 << 12 ^ i3 << 6 ^ (i4 ^ 0xFFFE1F80));
if (Character.isSurrogate(c))
return malformedForLength(paramByteBuffer, i, paramCharBuffer, k, 3);
arrayOfChar[(k++)] = c;
i += 3;
}
else if (i1 >> 3 == -2)
{
i2 = j - i;
if ((i2 < 4) || (m - k < 2))
{
i1 &= 255;
if ((i1 > 244) || ((i2 > 1) && (isMalformed4_2(i1, arrayOfByte[(i + 1)] & 0xFF))))
return malformedForLength(paramByteBuffer, i, paramCharBuffer, k, 1);
if ((i2 > 2) && (isMalformed4_3(arrayOfByte[(i + 2)])))
return malformedForLength(paramByteBuffer, i, paramCharBuffer, k, 2);
return xflow(paramByteBuffer, i, j, paramCharBuffer, k, 4);
}
i3 = arrayOfByte[(i + 1)];
i4 = arrayOfByte[(i + 2)];
int i5 = arrayOfByte[(i + 3)];
int i6 = i1 << 18 ^ i3 << 12 ^ i4 << 6 ^ (i5 ^ 0x381F80);
if ((isMalformed4(i3, i4, i5)) || (!Character.isSupplementaryCodePoint(i6)))
return malformed(paramByteBuffer, i, paramCharBuffer, k, 4);
arrayOfChar[(k++)] = Character.highSurrogate(i6);
arrayOfChar[(k++)] = Character.lowSurrogate(i6);
i += 4;
}
else
{
return malformed(paramByteBuffer, i, paramCharBuffer, k, 1);
}
}
}
}
return xflow(paramByteBuffer, i, j, paramCharBuffer, k, 0);
}
}
11 .UTF_8中將字節(jié)編碼解碼為字符編碼的方法decodeArrayLoop()
4.常用的IO類FileReader和BufferedReader
FileReader(String fileName)和InputStreamReader(new FileInputStream(String fileName))是等價的，如12所示，具體實現(xiàn)參見第3節(jié)。BufferedReader的實現(xiàn)與FileReader不同，它們的性能對比如13所示。14展示了BufferedReader的使用，這為了和7中InputStreamReader(new FileInputStream(String fileName))的使用做對比。14中代碼底層的執(zhí)行流程圖如15所示。BufferedReader的方法read()的源碼解析如16所示。BufferedReader和FileReader在字符編碼和字節(jié)編碼的轉換時都調(diào)用了CharsetDecoder.decode()方法;不同的是BufferedReader一次轉換了8192個字符(15)，而FileReader一次只轉換了2個字符（9）。但由于BufferedReader和FileReader的字節(jié)緩沖區(qū)大小于均為8192個字節(jié)，因此BufferedReader與FileReader效率相差不大。
public class FileReader extends InputStreamReader {
public FileReader(String fileName) throws FileNotFoundException {
super(new FileInputStream(fileName));
}
}
12.FileReader(String filePath)的構造方法
public class Demo01_Copy {
public static void main(String[] args) throws IOException {
File src = new File ("e:\\foxit_Offline_FoxitInst.exe");
File dest = new File("e:\\ithema\\foxit_Offline_FoxitInst.exe");
long time1 = System.currentTimeMillis();
//耗時：3801 ms
//copyFile5(src,dest,bytes);
//耗時：2938 ms
copyFile6(src,dest);
long time2 = System.currentTimeMillis();
System.out.println(time2 -time1);
}
public static void copyFile5(File src ,File dest) throws IOException {
FileReader fr = new FileReader(src);
FileWriter fw = new FileWriter(dest);
int len = 0;
while((len=fr.read())!=-1){
fw.write(len);
}
fr.close();
fw.close();
}
public static void copyFile6(File src,File dest) throws IOException{
BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader(src));
BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter(dest));
int len = 0;
while((len=br.read())!=-1){
bw.write(len);
}
br.close();
bw.close();
}
}
13.FileReader和BufferedReader的性能對比
public class Demo01_BufferedReader {
public static void main(String[] args) throws IOException {
readUTF();
}
//一次讀取一個字符
public static void readUTF() throws IOException{
BufferedReader br = new BufferedReader(
new InputStreamReader(new FileInputStream("e:\\2.txt"),"UTF-8"));
int ch = 0;
while((ch = br.read())!=-1){
System.out.println((char)ch);
}
br.close();
}
}
14.使用BufferedReader一次讀取一個字符（與圖7做對比）
15.BufferedReader在read()時的底層流程圖（與圖8做對比）
16.BufferedReader的read()源碼解析圖（與圖9做對比）
5.總結
普通字節(jié)流是基礎，是最簡單高效的流。如果沒有特殊的需求，只是高效的進行文件讀寫，選擇合適的字節(jié)數(shù)組大小，一次從硬盤讀取一個字節(jié)數(shù)組大小的字節(jié)塊，其效率是最高的。
字節(jié)緩沖流是為行數(shù)統(tǒng)計，按行讀取等特殊需求而設計的。相比于直接從硬盤一次讀取一個字節(jié)；先從硬盤一次讀取一個緩沖區(qū)大小的字節(jié)塊到緩沖區(qū)（位于內(nèi)存），再從緩沖區(qū)一個字節(jié)一個字節(jié)的讀取并判斷是不是行末尾（'\n'）的效率更高。
轉換流實現(xiàn)了在指定的編碼方式下進行字節(jié)編碼和字符編碼的轉換。轉換流如果直接從硬盤一次一個字節(jié)讀取的轉換流效率也很低，所以轉換流一般都是基于字節(jié)緩沖流的。
以上就是java中的IO流的詳細內(nèi)容，更多關于java中的IO流的資料請關注腳本之家其它相關文章！,希望大家以后多多支持腳本之家！
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