IO很复杂？那是你没有吃透本质

梦里梦外; 2024-04-07 12:50 76阅读 0赞

初学者觉得复杂是很正常的，归根结底是因为没有理解JavaIO框架的设计思想：

可以沿着这条路想一想：

1，学IO流之前，我们写的程序，都是在内存里自己跟自己玩。比如，你声明个变量，创建个数组，创建个集合，写一个排序算法，模拟一个链表，使用一些常用API，现在回想一下，是不是在只是自己在内存里玩一玩？

计算机组成包括运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备。那么你前面的工作，仅仅够你的程序和内存以及CPU打打交道，如果你需要操作外部设备呢？

比如键盘，显示器，再比如，最常见的外设：硬盘？甚至未来世界里的每家每户都有的机器人，“如何让你的程序和机器人进行交互呢？”

2，所以程序设计语言必须要提供程序与外部设备交互的方式，这就是IO框架的由来。我们需要和外部设备进行数据的交互。

那么，计算机是通过什么和外部进行交互的呢？很简单就能想到：数据线。数据线里传播的是什么呢？一个词：比特流。比特就是bit的谐音，计算机中“位”的意思，代表0或1。1位或者1bit，就是一个0或一个1。但是，毕竟0或1不能表示什么，所以计算机更常见的基本单位是字节，也就是用8位0或1组成的一段数据。

以上是对比特流的由来做一个简单地解释。（比特流一词来自于计算机网络原理中，对物理层传输内容的描述：物理层（网线）中传输的是“比特流”，在这里借用这个名词代指数据的表示形式，帮助理解）

上面两段话的意思，其实是为了下文做铺垫，帮助理解输入输出最重要的概念：方向性。输入还是输出，是相对于程序或者说相对于内存而言的。数据从外流到内存，就是输入（读），数据从内存出去，就是输出（写）。

3，既然计算机和外界进行信息的输入和输出交互，用的是比特流，那么很容易就能想到IO流名字的由来了。就是比喻输入输出的数据像流一样。

我们可以这么认为，任何外部设备与内存之间输入输出的操作，都是需要输入输出流（IO流）来完成的，这里的IO流，指的就是比特流（或者称字节流）。这些外部设备，包括，键盘（标准输入设备），显示器（标准输出设备），音响，网络上另一台主机，甚至你玩游戏用的游戏手柄，以及各种各样的信号传感器，都可以叫做外部设备，和这些设备之间进行数据交互，显然不可能靠之前学习的那些数组，集合，常用类，String等等来完成。

而是要靠和外界数据交换的类来完成。靠什么来进行数据交换，就是前面说的，比特流，或者说IO流类。

4，那么，既然要学习IO流，就得针对某一个输入输出设备来学习。哪种输入输出设备最重要同时也最常见？当然是硬盘。硬盘在这里的含义也可以理解为文件系统。（Java程序是运行在某操作系统平台上的应用软件JVM上的，实际上Java程序可见的并不是硬盘，而是操作系统提供的文件系统，因此此处可直接理解为文件系统）。

因此，我们学习IO流的时候，基本上是学习的Java如何操作文件系统，除了文件系统，我们还能够了解Java操作标准输入输出设备，如System.in和System.out。

5，知道了学习的方向，是要使用Java操作文件系统，那么首先要学习的就是文件的表示，即File类。然后，我们要操作做文件，虽然我们大部分操作都是操作文件系统，但是要明白IO流的概念不仅仅局限在操作文件上，前面我已经提到了，我们的编程语言是要能操作所有的输入输出，因此，API提供了两个顶层抽象类，用来表示操作所有的输出输出：InputStream，OutputStream。

并且，这两个类表示字节的输入输出，因为输入输出的本质是字节流。这里注意体会一句话“字节流是最最基本的流”，这句话的由来就是因为计算机底层传递的就是字节。

那么，当我们要操作文件的时候，就需要具体的对文件系统操作的IO实现类，于是我们需要学习FileInputStream和FileOutputStream，它们是文件输入输出字节流。

这里之所以FileInputStream/OutputStream作为子类出现，按照面向对象思想理解就是，将来还有别的字节流来操作别的设备（比如将来需要通过操作网络设备获取网络数据，再比如需要操作机器人，那么或许就会再来个RobotInputStream和RobotOutputStream，这些新的需求也就都可以继承这个体系）

（这里顺便提一句架构设计思想，其中有一种设计原则叫“开闭原则”，其核心是：一个对象对扩展开放，对修改关闭。就是说，一旦写好了某个类，就不要去轻易改动他，而是要保证它一直能运行下去，而面对新的功能需求时，只要在原有代码上增加即可，而不是修改原有代码。要做到开闭原则，就需要分清需求中未来哪些部分是稳定的，哪些是很可能变化的，而往往抽象的部分是最稳定的，把稳定的内容分离出来，就能满足开闭原则。

这就是为什么Java的类设计的如此之琐碎，为什么我们要从继承关系角度去理解JavaIO流的设计）

6，学了文件IO字节流之后，我们会发现原始的字节流对象用起来没那么高效，因为每个读或写请求都由底层操作系统处理，这些请求往往会触发磁盘访问、网络活动或其他一些相对昂贵的操作。不带缓冲区的流对象，只能一个字节一个字节的读，每次都调用底层的操作系统API，非常低效，而带缓冲区的流对象，可以一次读一个缓冲区，缓冲区空了才去调用一次底层API，这就能大大提高效率。

所以又有了BufferedInputStream和BufferedOutputSteam，他们的用法是把字节流对象传入后再使用，也相当于把它俩套在了字节流的外面，给字节流装了个“外挂”，让基本字节流如虎添翼。

7，说到操作文件，就不得不提到文件的分类和编码格式。文件分为二进制文件和文本文件，二进制文件是用记事本打开后看不懂的，他们的编码格式是特殊的，比如pdf文件，exe文件。

记事本打开后人能看懂的只有纯文本文件，我们处理文件（或者说处理任何的字节流），就免不了处理一些文本文件（或文本字节流）。

如果是英语国家的人还好说，因为他们是用的常用字符用一张ASCII码表就能表示得出来，用一个字节就能表示一个字母。但是显然，对非英语国家的人来说，一个字节的大小无法表示他们所有的文字。因此，人们需要有能够处理字符的类，或者说这个类提供一个功能：就是把输入的字节转成字符，把要输出的字符转成计算机可以识别的字节。所以，你需要两个转换流：InputStreamReader和OutputStreamWriter。这两个类的作用分别是把字节流转成字符流，把字符流转成字节流。

但是这两个流需要套在现成的字节流上才能使用，当中用到的设计模式也就是常说的装饰模式。当字节流被转成字符流之后，恭喜你，你可以不必操作字节流了，而是可以用人类的方式read和write各种“文字”。

（那么，我们为什么还要学习字节流？因为字节流依然有它的作用范围。首先，所有的流都是建立在字节流之上的，比如字符流。字节流或许可以读任何字节，但是他处理不了Unicode（万国码），他处理不了Data流，Object流，也就是说，它做不了高级的事情，只能读写最原始的东西。

字节流好比动物，能看，能听，能汪汪叫，但是他不能读书，不能写字，不能理解更高级的知识。其次要注意的是，字符流只能用来处理文本文件，也就是只能来处理字符，如果出来用来处理二进制文件，会带来错误，所以处理二进制文件只能用字节流）

8，还是回到文件系统，我们最常见的是和文件系统打交道，那么针对如此常见的用途，读取文本文件能不能用一种方便的方式呢？

当然，大牛们替你想到并提供了。FileReader和FileWriter这两个流对象可以直接把文件转成读取、写入流。让你省去了创建字节流，再套上转换流的步骤。看看这类名起的，实际上很形象，xxxReader和xxxWriter，明摆着告诉你“阅读和书写”都是“人可以做的”也就是他们表示的是字符流。

同理上面的InputStreamReader和OutputStreamWriter，表示的是把字节流转成人可读的，把字节流转成人可写的。因此他们的顶层抽象类：Reader和Writer，表示的是所有人类可读可写的字符流统称。

10，同上面说的缓冲区的作用，再把Reader和Writer做成高效的，就需要BufferedReader和BufferedWriter，把它们套在Reader和Writer上，就能实现高效的字符流。

11，讲到这里，IO流的大概思想已经说的的差不多了，是不是觉得之前混乱的那些类，现在知道他们的作用和设计思想以后，稍稍清晰了许多呢？

可以简单的记，字节流是基础，理论上可用于所有的输入输出场景，内容是文字的字节流可以通过转换流转成字符流，转换流是字节流和字符流之间相互转换的桥梁，把字节流转成字符流，离不开转换流，字符流是对于字符功能的增强可用来处理“文字”，操作文件系统应用范围最广，所以JDK提供了现成的FileXXX类，用来方便编程使用。

另外，还有许多类是“在内存里自己和自己玩的”比如ByteArrayReader/Writer，PipedWriter/Reader，它们虽然也称为“流对象”但是他们的数据不出内存，所以它们的close()方法可有可无。以及其他带有某些功能的类，比如序列化流，比如数据输入输出流，等等。

IO流对象的用法和作用大同小异，其使用环境和意义取决于具体需要，用到了再具体分析即可。

这里先写到这了。这里作为Java编程入门应该可以了，主要介绍了JavaIO框架的设计思想，但具体底层实现细节，还需要学习JVM相关知识，以及微机原理和接口技术等等底层的课程。