Java IO 中的流与设计模式

原文链接:《Java IO 中的流与设计模式》http://www.ytbean.com/posts/java-io-stream-and-design-pattern/

流概述

Java中,流是一种有序的字节序列,可以有任意的长度。从应用流向目的地称为输出流,从目的地流向应用称为输入流。

Java的流族谱

Java的java.io包中囊括了整个流的家族,输出流和输入流的谱系如下所示:

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InputStream和OutputStream

InputStream和OutputStream分别是输入输出流的顶级抽象父类,只定义了一些抽象方法供子类实现。

在输出流OutputStream中,如果你需要向一个输出流写入数据,可以调用void write(int b)方法,这个方法会将b的低八位写入流中,高24位将会被自动忽略。如果想要批量写入数据呢,那么可以调用void write(byte[] b) 方法将一个字节数组的内容全部写入流中,同时还有void write(byte[] b, int off, int len)可以让你指定从哪里写入多少数据。
如果你希望你向流中写入的数据能够尽快地输送到目的地,比如说文件,那么可以在写入数据后,调用flush()方法将当前输出流刷到操作系统层面的缓冲区中。不过需要注意的是,此方法并不保证数据立马就能刷到实际的物理目的地(比如说存储)。
使用完流后应该调用其close()方法将流关闭,流关闭时,将会先flush,后关闭。

在输入流InputStream中,可以通过int read() 方法来从流中读取一个字节,批量读取字节可以通过int read(byte[] b)或者int read(byte[] b, int off, int len)来实现,这两个方法的返回值为实际读取到的字节数。如果需要重复读取流中某段数据,可以在读取之前先使用void mark(int readlimit)方法在当前位置做一个记号,之后通过void reset()方法返回到之前做标记的位置,不过在做这些标记操作之前,需要先通过boolean markSupported()方法来确定该流是否支持标记。如果对某些可预知的数据不感兴趣,可以使用long skip(long n)来调过一些流中的一些数据。

使用完流,无论是输入还是输出流,都要调用其close()方法对其进行关闭。

装饰器模式

装饰器模式(Decorator Pattern)允许向一个现有的对象添加新的功能,同时又不改变其结构。这种类型的设计模式属于结构型模式,它是作为现有的类的一个包装。

这种设计模式创建了一个装饰类,用来包装原有的类,并在保持类方法签名完整性的前提下,提供了额外的功能。

以InputStream为例,它是一个抽象类:

public abstract class InputStream implements Closeable {
    ...
    ...
}

并定义有抽象方法

public abstract int read() throws IOException;

该抽象方法由具体的子类去实现,通过InputStream的族谱图可以看到,直接继承了InputStream,并且提供某一特定功能的子类有:

  • ByteArrayInputStream
  • FileInputStream
  • ObjectInputStream
  • PipedInputStream
  • SequenceInputStream
  • StringBufferInputStream

这些子类都具有特定的功能,比如说,FileInputStream代表一个文件输入流并提供读取文件内容的功能,ObjectInputStream提供了对象反序列化的功能。

InputStream这个抽象类有一个子类与上述其它子类非常不同,这个子类就是FilterInputStream,可参见上图中的InputStream族谱图。

翻开FilterInputStream的代码,我们可以看到,它内部又维护了一个InputStream的成员对象,并且它的所有方法,都是调用这个成员对象的同名方法。
换句话说,FilterInputStream它什么事都不做。就是把调用委托给内部的InputStream成员对象。如下所示:

public class FilterInputStream extends InputStream {
    protected volatile InputStream in;
    
    protected FilterInputStream(InputStream in) {
        this.in = in;
    }
    
    public int read() throws IOException {
        return in.read();
    }
    
    public int read(byte b[]) throws IOException {
        return read(b, 0, b.length);
    }
    
    public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
        return in.read(b, off, len);
    }
    
    public long skip(long n) throws IOException {
        return in.skip(n);
    }
    
    public int available() throws IOException {
        return in.available();
    }
    
    public void close() throws IOException {
        in.close();
    }
    
    public synchronized void mark(int readlimit) {
        in.mark(readlimit);
    }

    public synchronized void reset() throws IOException {
        in.reset();
    }
    
    public boolean markSupported() {
        return in.markSupported();
    }

FilterInputStream的又有其子类,分别是:

  • BufferedInputStream
  • DataInputStream
  • LineNumberInputStream
  • PushbackInputStream

虽然从上面代码看FilterInputStream并没有做什么有卵用的事,但是它的子类可不同了,以BufferedInputStream为例,这个类提供了提前读取数据的功能,也就是缓冲的功能。可以看看它的read方法:

    public synchronized int read() throws IOException {
        if (pos >= count) {
            fill();
            if (pos >= count)
                return -1;
        }
        return getBufIfOpen()[pos++] & 0xff;
    }

可以看到,当pos>=count时,意即需要提前缓冲一些数据的时候到了,那么就会调用fill()将缓冲区加满,以便后续读取。由于本文只讨论io流的装饰器模式,所以关于具体实现细节将不会展开讨论,比如本文不会讨论fill()方法是如何实现的,在这里可以先将它当做一个黑盒子。

从这里可以开始感受到,BufferedInputStream就是一个装饰者,它能为一个原本没有缓冲功能的InputStream添加上缓冲的功能。

比如我们常用的FileInputStream,它并没有缓冲功能,我们每次调用read,都会向操作系统发起调用索要数据。假如我们通过BufferedInputStream来装饰它,那么每次调用read,会预先向操作系统多拿一些数据,这样就不知不觉中提高了程序的性能。如以下代码所示:

BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(new File("/home/user/abc.txt")));

同理,对于其它的FilterInputStream的子类,其作用也是一样的,那就是装饰一个InputStream,为它添加它原本不具有的功能。OutputStream以及家属对于装饰器模式的体现,也以此类推。

JDK中的io流的设计是设计模式中装饰器模式的一个经典示范,如果细心发现,JDK中还有许多其它设计模式的体现,比如说监听者模式等等。

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