Java IO流中的数据流分类

上一篇文章中，我们介绍了Java IO流中的4个基类：InputStream、OutputStream、Reader、Writer。在本文中，我们将深入学习这四个基类所衍生出来的不同场景下的数据流。

一、衍生数据流分类

我们上面说了java.io包中有40多个类，都从InputStream、OutputStream、Reader、Writer这4个类中衍生而来。我们以操作对象的维度进行如下的区分：

1. 文件流

文件流直接操作文件的流，可以细分为字节流（FileInputStream 和 FileOuputStream）和字符流（FileReader 和 FileWriter）。这些内容在上一篇文章中已经详细介绍，这里就不再赘述。

2. 数组流

数组流是指对内存中有限的数据进行读写操作的流，适用于数据量小，无需利用文件存储，以提升程序效率。

以ByteArrayInputStream（字节数组输入流）为例：

public class TestService{
    public static void main(String[] args)  {
        try {
            ByteArrayInputStream bi = new ByteArrayInputStream("JavaBuild".getBytes());
            int content;
            while ((content = bi.read()) != -1) {
                System.out.print((char) content);
            }
            // 关闭输入流，释放资源
            bi.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

字节数组输出流（ByteArrayOutputStream）也是如此，它们不需要创建临时文件，直接在内存中就可以完成对字节数组的压缩、加密、读写以及序列化。

3. 管道流

管道（Pipe）作为一种在计算机内通讯的媒介，在操作系统（Unix/Linux）层面和JVM层面都至关重要。我们今天提到的通道流是在JVM层面，用于不同线程之间数据交互的载体。

以PipedOutputStream和PipedInputStream为例，通过PipedOutputStream将一串字符写入到内存中，再通过PipedInputStream读取输出到控制台，整个过程并没有临时文件的事情，数据仅在两个线程之间流转。

public class TestService{
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个 PipedOutputStream 对象和一个 PipedInputStream 对象
        final PipedOutputStream pipedOutputStream = new PipedOutputStream();
        final PipedInputStream pipedInputStream = new PipedInputStream(pipedOutputStream);

        // 创建一个线程，向 PipedOutputStream 中写入数据
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    // 将字符串 "沉默王二" 转换为字节数组，并写入到 PipedOutputStream 中
                    pipedOutputStream.write("My name is JavaBuild".getBytes());
                    // 关闭 PipedOutputStream，释放资源
                    pipedOutputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        // 创建一个线程，从 PipedInputStream 中读取数据并输出到控制台
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    // 定义一个字节数组用于存储读取到的数据
                    byte[] flush = new byte[1024];
                    // 定义一个变量用于存储每次读取到的字节数
                    int len = 0;
                    // 循环读取字节数组中的数据，并输出到控制台
                    while (-1 != (len = pipedInputStream.read(flush))) {
                        // 将读取到的字节转换为对应的字符串，并输出到控制台
                        System.out.println(new String(flush, 0, len));
                    }
                    // 关闭 PipedInputStream，释放资源
                    pipedInputStream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        // 启动线程1和线程2
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

4. 数据流

在Java中分为基本数据类型和引用类型，因此在数据的读取与写入时，会涉及到这种情况。Java为我们提供了DataInputStream/DataOutputStream类来处理这些情况。

具体使用也相对比较简单：

DataInputStream dis = new DataInputStream(new FileInputStream("input.txt"));
// 创建一个 DataOutputStream 对象，用于将数据写入到文件中
DataOutputStream das = new DataOutputStream(new FileOutputStream("output.txt"));
// 读取四个字节，将其转换为 int 类型
int i = dis.readInt();
// 将一个 int 类型的数据写入到文件中
das.writeInt(1000);

5. 缓冲流

对于数据的处理，CPU速度快于内存，内存又远快于硬盘。在大数据量情况下，频繁的通过IO向磁盘读写数据会带来严重的性能问题。为此Java中提供了一个缓冲流的概念，简单来说就是在内存中设置一个缓冲区，只有缓冲区中存储的数据到达一定量后才会触发一次IO，这样大大提升了程序的读写性能。常用的缓冲流有：BufferedInputStream、BufferedOutputStream、BufferedReader、BufferedWriter。

通过BufferedInputStream的底层源码我们可以看到，其内部维护了一个buf[]数据，默认大小为8192字节，我们也可以通过构造函数进行缓存大小设置。

public class BufferedInputStream extends FilterInputStream {
    // 内部缓冲区数组
    protected volatile byte buf[];
    // 缓冲区的默认大小
    private static int DEFAULT_BUFFER_Size = 8192;
    // 使用默认的缓冲区大小
    public BufferedInputStream(InputStream in) {
        this(in, DEFAULT_BUFFER_SIZE);
    }
    // 自定义缓冲区大小
    public BufferedInputStream(InputStream in, int size) {
        super(in);
        if (size <= 0) {
            throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");
        }
        buf = new byte[size];
    }
}

至于说缓冲流到底能不能实现性能的提升，我们实践出真知。对于程序员来说，所有的理论都不及上手写一写来得有效！这其实也涉及到一个经常被问的面试问题：java中的缓冲流真的性能很好吗？

刚好，我们手头有一本《Java性能权威指南》的PDF版，大小为66MB。我们通过普通的文件流和缓冲流进行文件的读取和复制，看一下耗时对比。

public class TestService{
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TestService testService = new TestService();
        testService.copyPdfWithPublic();
        testService.copyPdfWithBuffer();
    }
    /*通过普通文件流进行pdf文件的读取和拷贝*/
    public void copyPdfWithPublic(){
        // 记录开始时间
        long start = System.currentTimeMillis();
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("E:\\Java性能权威指南.pdf");
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream("E:\\Java性能权威指南Public.pdf")) {
            int content;
            while ((content = fis.read()) != -1) {
                fos.write(content);
            }
            //使用数组充当缓存时，两者性能差距不大
            /*int len;
            byte[] bytes = new byte[4 * 1024];
            while ((len = fis.read(bytes)) != -1) {
                fos.write(bytes, 0, len);
            }*/
            fis.close();
            fos.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 记录结束时间
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("使用普通文件流复制PDF文件总耗时:" + (end - start) + " 毫秒");
    }
    /*通过缓冲字节流进行pdf文件的读取和拷贝*/
    public void copyPdfWithBuffer(){
        // 记录开始时间
        long start = System.currentTimeMillis();
        try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("E:\\Java性能权威指南.pdf"));
             BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("E:\\Java性能权威指南Buffer.pdf"))) {
            int content;
            while ((content = bis.read()) != -1) {
                bos.write(content);
            }
            /*int len;
            byte[] bytes = new byte[4 * 1024];
            while ((len = bis.read(bytes)) != -1) {
                bos.write(bytes, 0, len);
            }*/
            bis.close();
            bos.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 记录结束时间
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("使用缓冲字节流复制PDF文件总耗时:" + (end - start) + " 毫秒");
    }
}

输出：

使用普通文件流复制PDF文件总耗时:221611 毫秒
使用缓冲字节流复制PDF文件总耗时:228 毫秒

然后，我们将注释掉的代码放开，也就是我们采用一个缓存数组，先将数组存储起来后，两者之间的性能差距就没那么明显了。

使用普通文件流复制PDF文件总耗时:106 毫秒
使用缓冲字节流复制PDF文件总耗时:80 毫秒

在这种情况下，我们可以看到，甚至普通的文件流的耗时小于缓冲流的。因此，对于这种情况来说，缓冲流未必一定性能最好。

6. 打印流

对于System.out.println("Hello World")这句代码，我们都不陌生。我们刚学习Java的第一堂课，老师们都会让我们输出一个Hello World。System.out实际是用于获取一个PrintStream对象，print方法实际调用的是PrintStream对象的write方法。

public class PrintStream extends FilterOutputStream
    implements Appendable, Closeable {
}
public class PrintWriter extends Writer {
}

结尾彩蛋

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