Java IO 流：从字节到字符再到Java 装饰者模式（Decorator Pattern），解析与应用掌握数据流动的艺术

news2025/3/25 23:56:01

在 Java 编程中，IO（输入输出）流是处理数据输入输出的核心工具。无论是读取文件、网络通信，还是处理用户输入，IO 流都扮演着重要角色。本文将深入探讨 Java IO 流的核心概念、分类、经典代码实例及其应用场景，帮助你全面掌握数据流动的艺术。

1. Java IO 流的核心概念

1.1 什么是 IO 流？

IO 流是 Java 中用于处理输入输出数据的抽象概念。它可以将数据从一个地方（如文件、网络）传输到另一个地方（如内存、控制台）。

1.2 IO 流的分类

  • 按数据单位：

    • 字节流：以字节为单位读写数据，适用于二进制文件（如图片、视频）。

    • 字符流：以字符为单位读写数据，适用于文本文件。

  • 按流向：

    • 输入流：从外部读取数据到程序中。

    • 输出流：将程序中的数据写入外部。

2. Java IO 流的经典类

2.1 字节流

字节流主要用于处理二进制数据。Java 提供了 InputStream 和 OutputStream 作为字节流的基类。

  • InputStream：字节输入流的基类。

    • 常用实现类：FileInputStream、BufferedInputStream。

  • OutputStream：字节输出流的基类。

    • 常用实现类：FileOutputStream、BufferedOutputStream。

2.2 字符流

  • Reader：字符输入流的基类。

    • 常用实现类：FileReader、BufferedReader。

  • Writer：字符输出流的基类。

    • 常用实现类：FileWriter、BufferedWriter。

3. 经典代码实例

3.1 字节流：文件复制

以下是一个使用字节流复制文件的示例：

//代码解读：
//使用 FileInputStream 读取源文件。
//
//FileOutputStream 写入目标文件。
//
//通过缓冲区 byte[] buffer 提高读写效率。

//使用 try-with-resources 语法自动关闭流。

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;

public class ByteStreamExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("source.txt");
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream("target.txt")) {
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int length;
            while ((length = fis.read(buffer)) != -1) {
                fos.write(buffer, 0, length);
            }
            System.out.println("文件复制完成！");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3.2 字符流：文本文件读取

以下是一个使用字符流读取文本文件的示例：

//代码解读：
//使用 FileReader 读取文本文件。

//使用 BufferedReader 包装 FileReader，提高读取效率。

通过 readLine() 方法逐行读取文件内容。
import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;

public class CharStreamExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("source.txt"))) {
            String line;
            while ((line = br.readLine()) != null) {
                System.out.println(line);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3.3 缓冲流：高效文件读写

以下是一个使用缓冲流读写文件的示例：

//使用 BufferedReader 和 BufferedWriter 包装字符流，提高读写效率。

//通过 readLine() 和 write() 方法逐行读写文件。
import java.io.*;

public class BufferedStreamExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("source.txt"));
             BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("target.txt"))) {
            String line;
            while ((line = br.readLine()) != null) {
                bw.write(line);
                bw.newLine();  // 写入换行符
            }
            System.out.println("文件读写完成！");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3.4 对象流：序列化与反序列化

Java 提供 ObjectOutputStream 和 ObjectInputStream 来进行对象的序列化和反序列化。

import java.io.*;

class Person implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String name;
    private int age;
    
    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "Person{name='" + name + "', age=" + age + "}";
    }
}

public class ObjectStreamExample {
    public static void main(String[] args) {
        String filePath = "person.ser";
        try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(filePath))) {
            Person p = new Person("Alice", 25);
            oos.writeObject(p);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(filePath))) {
            Person p = (Person) ois.readObject();
            System.out.println("反序列化对象: " + p);
        } catch (IOException | ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 3.5 转换流：示例

转换流 适用于字节与字符的转换，支持编码格式转换。

import java.io.*;

public class ConvertStreamExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("example.txt"), "UTF-8")) {
            osw.write("你好，世界！");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        try (InputStreamReader isr = new InputStreamReader(new FileInputStream("example.txt"), "UTF-8")) {
            int data;
            while ((data = isr.read()) != -1) {
                System.out.print((char) data);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 3.6 PrintStream 和 PrintWriter

import java.io.PrintStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;

public class PrintStreamExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (PrintStream ps = new PrintStream(new FileOutputStream("printStream.txt"))) {
            ps.println("Hello, PrintStream!");
            ps.printf("Formatted number: %.2f", 123.456);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
import java.io.PrintWriter;
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;

public class PrintWriterExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (PrintWriter pw = new PrintWriter(new FileWriter("printWriter.txt"))) {
            pw.println("Hello, PrintWriter!");
            pw.printf("Formatted text: %s", "Java IO");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 4. 装饰者模式（Decorator Pattern）

在 Java 语言中，装饰者模式（Decorator Pattern） 是一种结构型设计模式，它允许动态地为对象添加新功能，而不改变其原始结构。在 Java 的 IO（输入/输出）系统中，装饰者模式被广泛应用，例如 BufferedReader 便是 Reader 的装饰者。

4.1. 装饰者模式概述

 装饰者模式的特点

  • 增强功能：在不修改原有类的情况下，动态添加新功能。

  • 符合开闭原则（OCP）：对扩展开放，对修改封闭。

  • 支持递归组合：装饰者可以装饰另一个装饰者，实现更复杂的功能。

典型应用场景

  • Java IO（BufferedReader 装饰 FileReader 提高效率）。

  • 图形界面（BorderDecorator 装饰 Window 以增加边框）。

  • 数据加密（DataStream 装饰 FileStream 以增加加密功能）。

4.2 代码示例：基于装饰者模式的 Reader 设计

在 Decorator_pattern 目录下，我们设计了一组 Reader_ 类，它们模仿 Java IO 中的 Reader，并通过装饰者模式扩展其功能。

Reader_（抽象基类）

//作用：

//Reader_ 是抽象基类，定义了 read() 和 readLine() 方法。

//允许子类继承，实现具体的读取方式。

import java.io.Reader;
import java.io.IOException;

abstract class Reader_ {
    protected Reader reader;

    public Reader_(Reader reader) {
        this.reader = reader;
    }

    public abstract int read() throws IOException;
    public abstract String readLine() throws IOException;
    public void close() throws IOException {
        reader.close();
    }
}

File_reader_（从文件读取数据）

//作用：
//
//直接从文件读取字符。

//不支持 readLine()，需要 BufferedReader 进行封装。

import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;

class File_reader_ extends Reader_ {
    public File_reader_(String filePath) throws IOException {
        super(new FileReader(filePath));
    }

    @Override
    public int read() throws IOException {
        return reader.read();
    }

    @Override
    public String readLine() throws IOException {
        throw new UnsupportedOperationException("FileReader 不支持 readLine");
    }
}

Buffered_reader_（增强 File_reader_，增加缓冲）

 

//作用：

//BufferedReader 的封装，提供 readLine() 方法。

//装饰 File_reader_，增强其功能。



class Buffered_reader_ extends Reader_ {
    private BufferedReader bufferedReader;

    public Buffered_reader_(Reader_ reader) {
        super(reader.reader);
        this.bufferedReader = new BufferedReader(reader);
    }

    @Override
    public int read() throws IOException {
        return bufferedReader.read();
    }

    @Override
    public String readLine() throws IOException {
        return bufferedReader.readLine();
    }
}

String_reader_（从字符串读取数据）

 

//作用：

//直接从 String 读取数据，而不是文件。
import java.io.StringReader;
import java.io.IOException;

class String_reader_ extends Reader_ {
    public String_reader_(String data) {
        super(new StringReader(data));
    }

    @Override
    public int read() throws IOException {
        return reader.read();
    }

    @Override
    public String readLine() throws IOException {
        throw new UnsupportedOperationException("StringReader 不支持 readLine");
    }
}

Test（测试代码）

 

import java.io.IOException;

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            System.out.println("读取文件示例：");
            Reader_ fileReader = new File_reader_("example.txt");
            Reader_ bufferedReader = new Buffered_reader_(fileReader);
            
            String line;
            while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) {
                System.out.println(line);
            }
            bufferedReader.close();

            System.out.println("\n读取字符串示例：");
            Reader_ stringReader = new String_reader_("Hello, World!");
            int ch;
            while ((ch = stringReader.read()) != -1) {
                System.out.print((char) ch);
            }
            stringReader.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 4.3 小结

通过装饰者模式，我们可以 灵活组合不同的 Reader_ 类，增强功能。

5. IO 流的应用场景

5.1 文件操作

  • 读取、写入、复制、删除文件。

  • 示例：日志文件处理、配置文件读取。

5.2 网络通信

  • 通过 Socket 实现客户端和服务器之间的数据传输。

  • 示例：文件传输、实时聊天。

5.3 数据处理

  • 解析 CSV、JSON 等格式的数据。

  • 示例：数据导入导出、数据分析。

6. IO 流的最佳实践

6.1 使用缓冲流

  • 缓冲流（如 BufferedReader、BufferedInputStream）可以显著提高 IO 性能。

6.2 使用 try-with-resources

  • 确保流在使用后自动关闭，避免资源泄漏。

6.3 处理大文件

  • 对于大文件，使用分块读写（如 byte[] buffer）避免内存溢出。

7. 总结

Java IO 流是处理数据输入输出的核心工具，涵盖了字节流、字符流、缓冲流等多种类型。通过经典代码实例和最佳实践，本文帮助你全面掌握 IO 流的使用方法。无论是文件操作、网络通信，还是数据处理，IO 流都能为你提供强大的支持。

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