電腦程式的思維邏輯 (57) - 二進位文件和位元組流

来源:http://www.cnblogs.com/swiftma/archive/2016/12/12/6165599.html
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本節我們介紹如何在Java中以二進位位元組的方式來處理文件，介紹主要的流，包括它們的功能、用法、原理和使用場景，最後，我們總結一些簡單的實用方法。 ...


本節我們介紹在Java中如何以二進位位元組的方式來處理文件，上節我們提到Java中有流的概念，以二進位方式讀寫的主要流有：

  • InputStream/OutputStream: 這是基類，它們是抽象類。
  • FileInputStream/FileOutputStream: 輸入源和輸出目標是文件的流。
  • ByteArrayInputStream/ByteArrayOutputStream: 輸入源和輸出目標是位元組數組的流。
  • DataInputStream/DataOutputStream: 裝飾類，按基本類型和字元串而非只是位元組讀寫流。
  • BufferedInputStream/BufferedOutputStream: 裝飾類，對輸入輸出流提供緩衝功能。

下麵，我們就來介紹這些類的功能、用法、原理和使用場景，最後，我們總結一些簡單的實用方法。

InputStream/OutputStream

InputStream的基本方法

InputStream是抽象類，主要方法是：

public abstract int read() throws IOException;

read從流中讀取下一個位元組，返回類型為int，但取值在0到255之間，當讀到流結尾的時候，返回值為-1，如果流中沒有數據，read方法會阻塞直到數據到來、流關閉、或異常出現，異常出現時，read方法拋出異常，類型為IOException，這是一個受檢異常，調用者必須進行處理。read是一個抽象方法，具體子類必須實現，FileInputStream會調用本地方法，所謂本地方法，一般不是用Java寫的，大多使用C語言實現，具體實現往往與虛擬機和操作系統有關。

InputStream還有如下方法，可以一次讀取多個位元組：

public int read(byte b[]) throws IOException

讀入的位元組放入參數數組b中，第一個位元組存入b[0]，第二個存入b[1]，以此類推，一次最多讀入的位元組個數為數組b的長度，但實際讀入的個數可能小於數組長度，返回值為實際讀入的位元組個數。如果剛開始讀取時已到流結尾，則返回-1，否則，只要數組長度大於0，該方法都會儘力至少讀取一個位元組，如果流中一個位元組都沒有，它會阻塞，異常出現時也是拋出IOException。該方法不是抽象方法，InputStream有一個預設實現，主要就是迴圈調用讀一個位元組的read方法，但子類如FileInputStream往往會提供更為高效的實現。

批量讀取還有一個更為通用的重載方法：

public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException

讀入的第一個位元組放入b[off]，最多讀取len個位元組，read(byte b[])就是調用了該方法：

public int read(byte b[]) throws IOException {
    return read(b, 0, b.length);
}

流讀取結束後，應該關閉，以釋放相關資源，關閉方法為：

public void close() throws IOException

不管read方法是否拋出了異常，都應該調用close方法，所以close通常應該放在finally語句內。close自己可能也會拋出IOException，但通常可以捕獲並忽略。

InputStream的高級方法

InputStream還定義瞭如下方法：

public long skip(long n) throws IOException
public int available() throws IOException
public synchronized void mark(int readlimit)
public boolean markSupported()
public synchronized void reset() throws IOException

skip跳過輸入流中n個位元組，因為輸入流中剩餘的位元組個數可能不到n，所以返回值為實際略過的位元組個數。InputStream的預設實現就是儘力讀取n個位元組並扔掉，子類往往會提供更為高效的實現，FileInputStream會調用本地方法。在處理數據時，對於不感興趣的部分，skip往往比讀取然後扔掉的效率要高。

available返回下一次不需要阻塞就能讀取到的大概位元組個數。InputStream的預設實現是返回0，子類會根據具體情況返回適當的值，FileInputStream會調用本地方法。在文件讀寫中，這個方法一般沒什麼用，但在從網路讀取數據時，可以根據該方法的返回值在網路有足夠數據時才讀，以避免阻塞。

一般的流讀取都是一次性的，且只能往前讀，不能往後讀，但有時可能希望能夠先看一下後面的內容，根據情況，再重新讀取。比如，處理一個未知的二進位文件，我們不確定它的類型，但可能可以通過流的前幾十個位元組判斷出來，判讀出來後，再重置到流開頭，交給相應類型的代碼進行處理。

InputStream定義了三個方法，mark/reset/markSupported，用於支持從讀過的流中重覆讀取。怎麼重覆讀取呢？先使用mark方法將當前位置標記下來，在讀取了一些位元組，希望重新從標記位置讀時，調用reset方法。

能夠重覆讀取不代表能夠回到任意的標記位置，mark方法有一個參數readLimit，表示在設置了標記後，能夠繼續往後讀的最多位元組數，如果超過了，標記會無效。為什麼會這樣呢？因為之所以能夠重讀，是因為流能夠將從標記位置開始的位元組保存起來，而保存消耗的記憶體不能無限大，流只保證不會小於readLimit。

不是所有流都支持mark/reset的，是否支持可以通過markSupported的返回值進行判斷。InpuStream的預設實現是不支持，FileInputStream也不直接支持，但BufferedInputStream和ByteArrayInputStream可以。

OutputStream

OutputStream的基本方法是：

public abstract void write(int b) throws IOException;

向流中寫入一個位元組，參數類型雖然是int，但其實只會用到最低的8位。這個方法是抽象方法，具體子類必須實現，FileInputStream會調用本地方法。

OutputStream還有兩個批量寫入的方法：

public void write(byte b[]) throws IOException
public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException

在第二個方法中，第一個寫入的位元組是b[off]，寫入個數為len，最後一個是b[off+len-1]，第一個方法等同於調用：write(b, 0, b.length);。OutputStream的預設實現是迴圈調用單位元組的write方法，子類往往有更為高效的實現，FileOutpuStream會調用對應的批量寫本地方法。

OutputStream還有兩個方法：

public void flush() throws IOException
public void close() throws IOException

flush將緩衝而未實際寫的數據進行實際寫入，比如，在BufferedOutputStream中，調用flush會將其緩衝區的內容寫到其裝飾的流中，並調用該流的flush方法。基類OutputStream沒有緩衝，flush代碼為空。

需要說明的是文件輸出流FileOutputStream，你可能會認為，調用flush會強制確保數據保存到硬碟上，但實際上不是這樣，FileOutputStream沒有緩衝，沒有重寫flush，調用flush沒有任何效果，數據只是傳遞給了操作系統，但操作系統什麼時候保存到硬碟上，這是不一定的。要確保數據保存到了硬碟上，可以調用FileOutputStream中的特有方法。

close一般會首先調用flush，然後再釋放流占用的系統資源。同InputStream一樣，close一般應該放在finally語句內。

FileInputStream/FileOutputStream

FileOutputStream

FileOutputStream的主要構造方法有：

public FileOutputStream(File file) throws FileNotFoundException
public FileOutputStream(File file, boolean append) throws FileNotFoundException
public FileOutputStream(String name) throws FileNotFoundException
public FileOutputStream(String name, boolean append) throws FileNotFoundException

有兩類參數，一類是文件路徑，可以是File對象file，也可以是文件路徑name，路徑可以是絕對路徑，也可以是相對路徑，如果文件已存在，append參數指定是追加還是覆蓋，true表示追加，沒傳append參數表示覆蓋。new一個FileOutputStream對象會實際打開文件，操作系統會分配相關資源。如果當前用戶沒有寫許可權，會拋出異常SecurityException，它是一種RuntimeException。如果指定的文件是一個已存在的目錄，或者由於其他原因不能打開文件，會拋出異常FileNotFoundException，它是IOException的一個子類。

我們看一段簡單的代碼，將字元串"hello, 123, 老馬"寫到文件hello.txt中：

OutputStream output =  new FileOutputStream("hello.txt");
try{
    String data = "hello, 123, 老馬";
    byte[] bytes = data.getBytes(Charset.forName("UTF-8"));
    output.write(bytes);
}finally{
    output.close();
}

OutputStream只能以byte或byte數組寫文件，為了寫字元串，我們調用String的getBytes方法得到它的UTF-8編碼的位元組數組，再調用write方法，寫的過程放在try語句內，在finally語句中調用close方法。

FileOutputStream還有兩個額外的方法：

public FileChannel getChannel()
public final FileDescriptor getFD()

FileChannel定義在java.nio中，表示文件通道概念，我們不會深入介紹通道，但記憶體映射文件方法定義在FileChannel中，我們會在後續章節介紹。FileDescriptor表示文件描述符，它與操作系統的一些文件記憶體結構相連，在大部分情況下，我們不會用到它，不過它有一個方法sync:

public native void sync() throws SyncFailedException;

這是一個本地方法，它會確保將操作系統緩衝的數據寫到硬碟上。註意與OutputStream的flush方法相區別，flush只能將應用程式緩衝的數據寫到操作系統，sync則確保數據寫到硬碟，不過一般情況下，我們並不需要手工調用它，只要操作系統和硬體設備沒問題，數據遲早會寫入，但在一定特定情況下，一定需要確保數據寫入硬碟，則可以調用該方法。

FileInputStream

FileInputStream的主要構造方法有：

public FileInputStream(String name) throws FileNotFoundException
public FileInputStream(File file) throws FileNotFoundException

參數與FileOutputStream類似，可以是文件路徑或File對象，但必須是一個已存在的文件，不能是目錄。new一個FileInputStream對象也會實際打開文件，操作系統會分配相關資源，如果文件不存在，會拋出異常FileNotFoundException，如果當前用戶沒有讀的許可權，會拋出異常SecurityException。

我們看一段簡單的代碼，將上面寫入的文件"hello.txt"讀到記憶體並輸出：

InputStream input = new FileInputStream("hello.txt");
try{
    byte[] buf = new byte[1024];
    int bytesRead = input.read(buf);    
    String data = new String(buf, 0, bytesRead, "UTF-8");
    System.out.println(data);
}finally{
    input.close();
}

讀入到的是byte數組，我們使用String的帶編碼參數的構造方法將其轉換為了String。這段代碼假定一次read調用就讀到了所有內容，且假定位元組長度不超過1024。為了確保讀到所有內容，可以逐個位元組讀取直到文件結束：

int b = -1;
int bytesRead = 0;
while((b=input.read())!=-1){
    buf[bytesRead++] = (byte)b;
}

在沒有緩衝的情況下逐個位元組讀取性能很低，可以使用批量讀入且確保讀到文件結尾，如下所示：

byte[] buf = new byte[1024];
int off = 0;
int bytesRead = 0;
while((bytesRead=input.read(buf, off, 1024-off ))!=-1){
    off += bytesRead;
}    
String data = new String(buf, 0, off, "UTF-8");

不過，這還是假定文件內容長度不超過一個固定的大小1024。如果不確定文件內容的長度，不希望一次性分配過大的byte數組，又希望將文件內容全部讀入，怎麼做呢？可以藉助ByteArrayOutputStream。

ByteArrayInputStream/ByteArrayOutputStream

ByteArrayOutputStream

ByteArrayOutputStream的輸出目標是一個byte數組，這個數組的長度是根據數據內容動態擴展的。它有兩個構造方法：

public ByteArrayOutputStream()
public ByteArrayOutputStream(int size)

第二個構造方法中的size指定的就是初始的數組大小，如果沒有指定，長度為32。在調用write方法的過程中，如果數組大小不夠，會進行擴展，擴展策略同樣是指數擴展，每次至少增加一倍。

ByteArrayOutputStream有如下方法，可以方便的將數據轉換為位元組數組或字元串：

public synchronized byte[] toByteArray()
public synchronized String toString()
public synchronized String toString(String charsetName)

toString()方法使用系統預設編碼。

ByteArrayOutputStream中的數據也可以方便的寫到另一個OutputStream：

public synchronized void writeTo(OutputStream out) throws IOException

ByteArrayOutputStream還有如下額外方法：

public synchronized int size()
public synchronized void reset()

size返回當前寫入的位元組個數。reset重置位元組個數為0，reset後，可以重用已分配的數組。

使用ByteArrayOutputStream，我們可以改進上面的讀文件代碼，確保將所有文件內容讀入：

InputStream input = new FileInputStream("hello.txt");
try{
    ByteArrayOutputStream output = new ByteArrayOutputStream();
    byte[] buf = new byte[1024];
    int bytesRead = 0;
    while((bytesRead=input.read(buf))!=-1){
        output.write(buf, 0, bytesRead);
    }    
    String data = output.toString("UTF-8");
    System.out.println(data);
}finally{
    input.close();
}

讀入的數據先寫入ByteArrayOutputStream中，讀完後，再調用其toString方法獲取完整數據。

ByteArrayInputStream

ByteArrayInputStream將byte數組包裝為一個輸入流，是一種適配器模式，它的構造方法有：

public ByteArrayInputStream(byte buf[])
public ByteArrayInputStream(byte buf[], int offset, int length)

第二個構造方法以buf中offset開始length個位元組為背後的數據。ByteArrayInputStream的所有數據都在記憶體，支持mark/reset重覆讀取。

為什麼要將byte數組轉換為InputStream呢？這與容器類中要將數組、單個元素轉換為容器介面的原因是類似的，有很多代碼是以InputStream/OutputSteam為參數構建的，它們構成了一個協作體系，將byte數組轉換為InputStream可以方便的參與這種體系，復用代碼。

DataInputStream/DataOutputStream

上面介紹的類都只能以位元組為單位讀寫，如何以其他類型讀寫呢？比如int, double。可以使用DataInputStream/DataOutputStream，它們都是裝飾類。

DataOutputStream

DataOutputStream是裝飾類基類FilterOutputStream的子類，FilterOutputStream是OutputStream的子類，它的構造方法是：

public FilterOutputStream(OutputStream out)

它接受一個已有的OutputStream，基本上將所有操作都代理給了它。

DataOutputStream實現了DataOutput介面，可以以各種基本類型和字元串寫入數據，部分方法如下：

void writeBoolean(boolean v) throws IOException;
void writeInt(int v) throws IOException;
void writeDouble(double v) throws IOException;
void writeUTF(String s) throws IOException;

在寫入時，DataOutputStream會將這些類型的數據轉換為其對應的二進位位元組，比如：

  • writeBoolean: 寫入一個位元組，如果值為true，則寫入1，否則0
  • writeInt: 寫入四個位元組，最高位位元組先寫入，最低位最後寫入
  • writeUTF: 將字元串的UTF-8編碼位元組寫入，這個編碼格式與標準的UTF-8編碼略有不同，不過，我們不用關心這個細節。 

與FilterOutputStream一樣，DataOutputStream的構造方法也是接受一個已有的OutputStream：

public DataOutputStream(OutputStream out)

我們來看一個例子，保存一個學生列表到文件中，學生類的定義為：

class Student {
    String name;
    int age;
    double score;
    
    public Student(String name, int age, double score) {
         ...
    }
    ...
}

我們省略了構造方法和getter/setter方法，學生列表內容為：

List<Student> students = Arrays.asList(new Student[]{
        new Student("張三", 18, 80.9d),
        new Student("李四", 17, 67.5d)
});

將該列表內容寫到文件students.dat中的代碼可以為：

public static void writeStudents(List<Student> students) throws IOException{
    DataOutputStream output = new DataOutputStream(
            new FileOutputStream("students.dat"));
    try{
        output.writeInt(students.size());
        for(Student s : students){
            output.writeUTF(s.getName());
            output.writeInt(s.getAge());
            output.writeDouble(s.getScore());
        }
    }finally{
        output.close();
    }
}

我們先寫了列表的長度，然後針對每個學生、每個欄位，根據其類型調用了相應的write方法。

DataInputStream

DataInputStream是裝飾類基類FilterInputStream的子類，FilterInputStream是InputStream的子類。

DataInputStream實現了DataInput介面，可以以各種基本類型和字元串讀取數據，部分方法如下：

boolean readBoolean() throws IOException;
int readInt() throws IOException;
double readDouble() throws IOException;
String readUTF() throws IOException;

在讀取時，DataInputStream會先按位元組讀進來，然後轉換為對應的類型。

DataInputStream的構造方法接受一個InputStream：

public DataInputStream(InputStream in)

還是以上面的學生列表為例，我們來看怎麼從文件中讀進來：

public static List<Student> readStudents() throws IOException{
    DataInputStream input = new DataInputStream(
            new FileInputStream("students.dat"));
    try{
        int size = input.readInt();
        List<Student> students = new ArrayList<Student>(size);
        for(int i=0; i<size; i++){
            Student s = new Student();
            s.setName(input.readUTF());
            s.setAge(input.readInt());
            s.setScore(input.readDouble());
            students.add(s);
        }
        return students;
    }finally{
        input.close();
    }
}

基本是寫的逆過程，代碼比較簡單，就不贅述了。

使用DataInputStream/DataOutputStream讀寫對象，非常靈活，但比較麻煩，所以Java提供了序列化機制，我們在後續章節介紹。

BufferedInputStream/BufferedOutputStream

FileInputStream/FileOutputStream是沒有緩衝的，按單個位元組讀寫時性能比較低，雖然可以按位元組數組讀取以提高性能，但有時必須要按位元組讀寫，比如上面的DataInputStream/DataOutputStream，它們包裝了文件流，內部會調用文件流的單位元組讀寫方法。怎麼解決這個問題呢？方法是將文件流包裝到緩衝流中。

BufferedInputStream內部有個位元組數組作為緩衝區，讀取時，先從這個緩衝區讀，緩衝區讀完了再調用包裝的流讀，它的構造方法有兩個：

public BufferedInputStream(InputStream in)
public BufferedInputStream(InputStream in, int size)

size表示緩衝區大小，如果沒有，預設值為8192。

除了提高性能，BufferedInputStream也支持mark/reset，可以重覆讀取。

與BufferedInputStream類似，BufferedOutputStream的構造方法也有兩個，預設的緩衝區大小也是8192，它的flush方法會將緩衝區的內容寫到包裝的流中。

在使用FileInputStream/FileOutputStream時，應該幾乎總是在它的外麵包上對應的緩衝類，如下所示：

InputStream input = new BufferedInputStream(new FileInputStream("hello.txt"));
OutputStream output =  new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("hello.txt"));

再比如：

DataOutputStream output = new DataOutputStream(
        new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("students.dat")));
DataInputStream input = new DataInputStream(
        new BufferedInputStream(new FileInputStream("students.dat")));

實用方法

可以看出，即使只是按二進位位元組讀寫流，Java也包括了很多的類，雖然很靈活，但對於一些簡單的需求，卻需要寫很多代碼，實際開發中，經常需要將一些常用功能進行封裝，提供更為簡單的介面。下麵我們提供一些實用方法，以供參考。

拷貝

拷貝輸入流的內容到輸出流，代碼為：

public static void copy(InputStream input,
        OutputStream output) throws IOException{
    byte[] buf = new byte[4096];
    int bytesRead = 0;
    while((bytesRead = input.read(buf))!=-1){
        output.write(buf, 0, bytesRead);
    }
}

將文件讀入位元組數組

代碼為：

public static byte[] readFileToByteArray(String fileName) throws IOException{
    InputStream input = new FileInputStream(fileName);
    ByteArrayOutputStream output = new ByteArrayOutputStream();
    try{
        copy(input, output);
        return output.toByteArray();
    }finally{
        input.close();
    }
}

這個方法調用了上面的拷貝方法。

將位元組數組寫到文件

public static void writeByteArrayToFile(String fileName,
        byte[] data) throws IOException{
    OutputStream output = new FileOutputStream(fileName);
    try{
        output.write(data);
    }finally{
        output.close();    
    }
}

Apache有一個類庫Commons IO，裡面提供了很多簡單易用的方法，實際開發中，可以考慮使用。

小結

本節我們介紹瞭如何在Java中以二進位位元組的方式讀寫文件，介紹了主要的流。

  • InputStream/OutputStream：是抽象基類，有很多面向流的代碼，以它們為參數，比如本節介紹的copy方法。
  • FileInputStream/FileOutputStream：流的源和目的地是文件。
  • ByteArrayInputStream/ByteArrayOutputStream：源和目的地是位元組數組，作為輸入相當於是適配器，作為輸出封裝了動態數組，便於使用。
  • DataInputStream/DataOutputStream：裝飾類，按基本類型和字元串讀寫流。
  • BufferedInputStream/BufferedOutputStream：裝飾類，提供緩衝，FileInputStream/FileOutputStream一般總是應該用該類裝飾。

最後，我們提供了一些實用方法，以方便常見的操作，在實際開發中，可以考慮使用專門的類庫如Apache Commons IO。

本節介紹的流不適用於處理文本文件，比如，不能按行處理，沒有編碼的概念，下一節，就讓我們來看文本文件和字元流。

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