本篇是 Java I/O Fundamentals 的基本觀念。

目的

Java 基本輸入輸出
自主控台讀取及寫入資料
stream 讀取及寫入檔案
serialization 讀取寫入物件

Java 基本I /O

Java提供龐大的函數庫執行 I/O 功能，將 I/O channel 定義為串流(stream)。串流可以代表不同的來源及目的，包含磁碟檔案、裝置、其他程式、記憶体陣列。串流也支援不同種類的資料，如 bytes、原生資料型態、字元和物件。

I/O 串流

程式使用輸入串流從來源地讀取資料，使用輸出串流將資料寫出，不需理會串流裏面是如何運作的，只需注意簡單的使用方法。串流取得的資料是有順序性。

資料來源串流 (Data source stream) 初始化資料流，稱 InputStream 或 Reader，資料終端串流 (Data sink stream) 終止資料流稱為 OutputStream 或 Writer，Sources 及 sink 是串流的二個節點。

stream-2

家裏要用水就要接水管，要用瓦斯就要接瓦斯管。在串流內流動的資料分二種，一種為 byte，另一種為char。傳輸 byte 時的管子叫 InputStream/OutputStream，傳輸 char 時的管子叫 Reader/Writer。

byte stream

char stream

InputStream

InputStream 以 read() 讀取單一 byte 資料或一連串 byte
int read() : 傳回讀取到的 byte 資料, 或 -1 代表結束
read(byte[] b) : 讀取資料到b中, 並傳回讀取的byte 數
read(byte[] b, int off, int len) : 指定要放入buffer的位置及長度

特別注意 Java SE7 使用 AutoCloseable 實作 InputStream, 也就是在 try-catch 內使用 InputStream 會自動關閉串流。

其他方法包含
void close()
int available() : 回報可讀取的長度(byte)
long skip(long n) : 放棄讀取 n byte的串流資料
boolean markSupported() : 若串流有支援mark()及reset(), 則返回true
void mark(int readlimit) : 標註可重讀的地方, 再用reset()回標註點重讀
void reset() : 若沒有mark(), 則reset()無作用

OutputStream

OutputStream以write()寫入一 byte 資料或一連串 byte
write(int b)
write(byte[] b)
write(byte[] b, int off, int len)

其他方法
void close()
void flush()

Reader

int read() : 返回讀到的Unicode 字元, 或 -1代表結束
read(char[] buff)
read(char[] buff, int off, int len)

其他方法
void close()
boolean ready()
long skip(long n)
boolean markSupported()
void mark(int readAheadLimit)
void reset()

Writer

write(int c)
write(char buff)
write(String str)
write(char[] buff, int off, int len)
write(String str, int off, int len)

其他方法
void close()
void flush()

FileInputStream/FileOutputStream

繼承 InputStream/OutputStream，傳輸 byte 資料。開啟檔案若不存在，會自動建立檔案。

FileOutputStream(File file, boolean append) ，若 append 為 true，表示要將資料寫入原始檔案中即有資料之後。若為 false，則會清除原始的檔案重新寫入。

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BufferedInputStream/BufferedOutputStream

FileInputStream 直接對檔案做 I/O，小量資料讀取時效能非常差。

BufferedInputStream 是在 FileInputStream 前面加上記憶体緩衝區，預設每次從硬碟讀取 8192 byte 資料存入記憶体中。

bos.read() 由記憶体中讀取一個 byte 資料，因為是由記憶体中讀取，效能非常高。

BufferedInputStream 一定要傳入 FileInputStream 參數。

BufferedInputStream bis=new BufferedInputStream(new FileInputStream("檔名"));

若要更改預設的 8192 bytes，則可以使用如下語法

BufferedInputStream bis=new BufferedInputStream(new FileInputStream("檔名"), 10240);

完整代碼如下

public static void main(String[] args) {
    os.utf8();
    int data;
    try(BufferedInputStream bis=new BufferedInputStream(new FileInputStream("f:/tmp/a.jpg"));
        BufferedOutputStream bos=new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("f:/tmp/b.jpg"));
        ){
        while((data=bis.read())!=-1){
            bos.write(data);
        }
    }
    catch(IOException e){}
}

FileReader/FileWriter

FileReader/FileWriter 分別是 InputStreamReader/OutputStreamWriter 的子類別，而這二個又是Reader/Writer的子類別。

可用於傳輸char資料

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以上只能讀取 utf-8 之中文檔，若是 unicode，則會出現亂碼。

Processing Streams

自來水跟瓦斯好比是資料流的byte, char. 家裏不是只有水管(inputStream)而以, 還有水塔(BufferedInputStream), 化糞池(BufferedOutputStream), 瀘水器(FilterInputStream), 分歧器(三向接頭, DataInputStream), 臉盆(PrintStream), 瓦斯爐PrintWriter)

程式中暫存或資料處理的Stream物件.

Functionality	Character Streams	Byte Streams
Buffering(Strings)	BufferedReader BufferedWriter	BufferedInputStream BufferedOutputStream
Filtering	FilterReader FilterWriter	FilterInputStream FilterOutputStream
Conversion(byte to character)	InputStreamReader OutputStreamWriter
Object serialization		ObjectInputStream ObjectOutputStream
Data conversion		DataInputStream DataOutputStream
Counting	LineNumberReader	LineNumberInputStream
Peeking ahead	PushbackReader	PushbackInputStream
Printing	PrintWriter	printStream

在上面的表中, Filtering比較特殊, 其建構子都是protected的. 也就是說在其他的package中, 除非繼承Filtering, 否則不能new 出物件.

為什麼要這麼作呢, 因為Filtering是給Java SE系統開發其他類別用的.
InputStream<–FilterInputStream<–DataInputStream/BufferedInputStream
OutputStream<–FilterOutputStream<–DataOutputStream/BufferedInputStream/PrintStream

Reader<–FilterReader<–PushbackReader
Writer<–FilterWriter

DataInput/DataOut介面

DataInputStream繼承了FilterInputStream, 也實作了DataInput介面可以讀取不同的資料, 比如readByte(), readChar(), readDouble(), readFloat(), readInt(), readLong(), readShort()

DataOutputStream同上

資料串流鏈結-I/O Stream Chaining

將水管, 水塔, 瀘水器等連接起來, 生活用水才會便利, 對吧. 如果家裏沒裝水塔, 那停水了不就不用洗澡了嗎

為了高效能及彈性, 資料流也必需串連起來.

stream

上面第一個圖, 先使用FileStream開啟檔案, 再傳入buffer Stream增快效能, 再用DataInputStream轉成資料

BufferReader/BufferWriter

要取水, 直跟跟水塔要比較快也比較方便. 所以針對BufferedReader/BufferedWriter下執讀寫, 是最有效率的.
當然, 也有BufferedInputStream/BufferedOutputStream

另外, 關閉檔案, 也請以Buffered的close 為主. 使用FileReader的close, 會造成錯誤

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上述使用BufferedReader連結FileReader, 再由BufferedReader使用readLine()傳入String物件中

InputStreamReader/OutputStreamWriter

這二個是作資料的轉換
InputStreamReader : byte 轉char
OutputStreamWriter : char 轉 byte

建構子為
new InputStreamReader(InputStream, “ISO8859_1”);
new OutputStreamWriter(OutputStream, “ISO8859_1”);

FileReader/FileWriter即為這二個的子類別

Console I/O

java.lang package中的System 類別, 有三個static fields : out, in, err.
System.in : 指向InputStream物件, 用於讀取標準輸入, 通常指向鍵盤
System.out : 指向PrintStream物件, 用於寫入標準輸出, 通常指向螢幕
System.err : 指向PrintStream物件, 用於寫入標準錯誤, 通常指向螢幕, 用於輸出錯誤訊息

通常使用InputStreamReader(System.in)建立一條通道, 再將此通道放入BufferedReader()之中即可

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上述使用InputStreamReader將System.in的byte轉成char, 再使用PrintWriter印出

java.io.Console

System類別也可以存取java.io.Console物件, 如下例

public class ConsoleTest {
    public static void main(String[] args) {
        Console cons=System.console();
        if(cons!=null){
            String userName, pwd;
            while(true){
                userName=cons.readLine("%s", "User name : ");
                if(userName.equals("exit"))break;
                pwd=new String(cons.readPassword("%s", "Password : "));
                System.out.printf("User Name : %s, Password : %s\n", userName, pwd);
            }
        }
    }
}

因為NetBeans沒有Console, 所以上述程式無法在NetBeans內執行, 需使用命令列才能執行

Channel I/O

FileChannel是將整個檔案一次讀進跟寫出的機制, 在Java 1.4就己出現. 使用方法為
利用FileInputStream().getChannel()方法, 產生FileChannel的物件.
整備一大塊的buffer : ByteBuffer buff=ByteBuffer.allocate(size)
然後再用FileChannel的物件方法read(buff), 讀入buff裏

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以上可以讀取UniCode的檔案, 不過檔案如果太大, 可能就會讀到掛掉吧

持久化(Persistence)

把資料存在永久的裝置叫Persistence, 如硬碟. 物件是可以使用 persistence的, 非persistence物件只存在runtime時期. 序列化(serialization是Java的標準機制, 可以有順序的使用 byte在儲存, 並於之後重建複制物件. 要達此目的, 類別需implement java.io.Serializable介面

序列化及物件(Serialization and Object Graphs)

當物件序列化, 只保留fields, 若fields參考一個物件, 則此物件也必需是序列化

Transient Fields and Objects

當類別implement Serializable介面後，裏面的Fields都是可以被ObjectOutputStream存在硬碟的檔案裏的. 若此時某個Field不想被儲存時(如password), 就可以在此Field前加上transient

public class TransientTest implements Serializable{
    public transient FileInputStream inputFile;
    public static int BASE=100; //static field是不能被序列化的
    private transient int totalValue=10;
    protected Stock[] stocks;//Stock也必需被序列化
}

Fields的存取修飾子不影響序列化
static fields的變數不能序列化
區域變數不能被序列化
方法也不能被序列化

Serial Version UID

序列化時, 可以使用 private static final long serialVersionUID = 8294180014912103005L 來作核對, 當解序列化時, 若Serial Version UID不對, 就會產生InvalidClassException
若沒宣告serial version UID, 則於執行時期, 系統會自動產生, 但建議要自己宣告

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序列化方法(Serialization Methods)

當序列化物件要寫入時, writeObject()方法會被執行, 若沒有此方法, 則會執行defaultWriteObject().
當物件被解序列化時(就是被讀入時), readObject()方法就會被執行, 沒此方法就會執行defaultReadObject()

這些方法, 都是private

Java 基本I/O

目的

Java 基本I /O

I/O 串流

byte stream

char stream

InputStream

OutputStream

Reader

Writer

FileInputStream/FileOutputStream

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BufferedInputStream/BufferedOutputStream

FileReader/FileWriter

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Processing Streams

DataInput/DataOut介面

資料串流鏈結-I/O Stream Chaining

BufferReader/BufferWriter

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InputStreamReader/OutputStreamWriter

Console I/O

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java.io.Console

Channel I/O

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持久化(Persistence)

序列化及物件(Serialization and Object Graphs)

Transient Fields and Objects

Serial Version UID

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序列化方法(Serialization Methods)

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