【JAVAEE】文件操作——IO

news2024/11/28 12:44:33

目录

💋1. 冯·诺伊曼体系

🐷2. 内存与外存的区别

✨3. 文件

🎁3.1 认识文件

✌3.2 文件的管理

 🍳3.3 文件路径

🎃3.4 文件的保存

👑3.4.1 文本文件

📷3.4.2 二进制文件

🎀3.5 文件系统操作

🎵3.6 文件内容操作

🥢3.7 文件操作示例

💍3.7.1 示例1 扫描指定目录,并找到名称或者内容中包含指定字符的所有普通文件(不包含目录)


1. 冯·诺伊曼体系

我们知道,现代的计算机是基于冯·诺伊曼体系设计出来的,该体系的基本内容如下:

1. 计算机内部采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。其中操作码表示运算性质,地址码指出操作数在存储中的位置。

2. 采取存储程序的思想。将程序和数据事先送入存储器中,使计算机在工作时能够自动地高速地从存储器中取出指令加以执行。

3. 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。

这个体系第一次从根本上定制了计算机基本架构,并且把计算机组成的各个关键部位完整分割开来,使之互不干扰又能协同工作。尽管计算机的制造技术发生着日新月异的变化,但就其体系结构而言,计算机设备到现在为止一直沿袭这个体系。

下面继续深入了解一下计算机的五大基本组成部件。

1.运算器
运算器由算术逻辑单元(ALU)、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成,是对数据信息进行加工和处理的部件,它能够完成各种算术运算和逻辑运算,所以也叫作“算术逻辑运算部件”。算术运算包括加、减、乘、除等运算;逻辑运算包括与、或、非等运算。在运算过程中,运算器不断得到由存储器提供的数据,运算后又把结果送回到存储器保存起来。整个运算过程是在控制器统一指挥下,按程序中编排的操作顺序进行的。


2.控制器
控制器(Controller)控制和协调整个计算机的动作,其工作由程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、定时与控制电路,以及脉冲源、中断等共同完成。控制器是分析和执行指令的部件,是控制计算机各个部件有条不紊地协调工作的指挥中心。控制器从存储器中逐条取出指令、分析指令,然后根据指令要求完成相应操作,产生一系列控制命令,使计算机各部分自动、连续并协调工作,成为一个有机的整体,实现程序输入、数据输入以及运算并输出结果。
目前的制作工艺通常把运算器、控制器及部分的存储器集成在一块芯片上,统称为中央处理器(CPU),CPU是计算机的核心和关键,计算机的性能主要取决于CPU。

3.存储器
存储器(Memory)是用来存放输入设备送来的程序和数据,以及运算器送来的中间结果和最后结果的记忆装置。存储器能容纳的二进制信息的总量称为存储容量,一般用字节数B表示容量的大小。存储容量的单位还有千字节(KB)、兆字节(MB)、吉字节(GB)和太字节(TB)等。

存储器又分内存储器和外存储器:
(1)内存储器
内存储器是CPU能根据地址线直接寻址的空间,曾出现过磁芯材料制作的内存储器,但现在绝大多数由半导体器件制成。内存是主机的一部分,用来存放正在执行的程序或数据,与CPU直接交换信息。其特点是存取速度快,但容量相对较小。内存按其功能和存储信息又可分成两大类,即只读存储器和随机存储器。
(2)外存储器
外存储器在过去是一种辅助存储器,主要用来存放一些计算机并不时常调用的程序和数据。当需要执行外存中的程序或处理外存中的数据时,必须通过CPU输入/输出指令,将其调入RAM中才能被CPU执行和处理,其性质与输入/输出设备相同,其存取速度相对较慢。

随着科技的发展,外存储器的规格不断改进,容量不断变大,访问速度不断提高,同时计算机程序的大小几何级数增加,使得计算机越来越依赖外存储器作为大容量存储空间的作用。目前外存储器已经不仅仅是一种辅助工具,而是计算机系统的重要组成部分,在某些行业甚至还起到了关键的作用。

常见的外存储器有硬盘、光盘、U盘等。

4.输入设备
输入设备(Input Device)是用户将数据和程序输入计算机中的重要工具,一般由输入装置和输入接口两部分组成。输入装置为可见的物理装置如键盘、鼠标、摄像头、麦克风等;而输入接口包括物理和逻辑两部分,物理部分指输入装置和计算机的物理连线,逻辑部分指的是操作系统为对应输入装置提供的逻辑数据入口。


5.输出设备
输出设备(Output Device)一般是计算机工作循环的最后一个部分,其作用是将计算机的工作结果展示出来。常见的输出装置有显示器、投影仪、音响等。与输入设备类似,输出设备也分输出装置和输出接口两部分。

2. 内存与外存的区别

1. 内存访问速度快,而外存访问速度慢,前者比后者快了3~4个数量级。

2. 内存的空间比较小,而外存的空间比较大,比如笔者此时的电脑,内存8GB,硬盘225GB

3. 内存制作成本高,而外存成本低。几百块能买到一个很好的1T~2T的固态硬盘,而好一点的16GB的内存条,也得几百上千。

4. 内存中的数据,断电之后会丢失,而外存的数据,断电之后依旧存在。也就意味着,内存存储的数据是“易失”的,而外存存储的数据,是“持久”的。

3. 文件

3.1 认识文件

我们先来认识狭义上的文件(file)。针对硬盘这种持久化存储的 I/O 设备,当我们想要进行数据保存时,往往不是保存成一个整体,而是独立成一个个的单位进行保存,这个独立的单位就被抽象成文件的概念, 就类似办公桌上的一份份真实的文件一般。

文件除了有数据内容之外,还有一部分信息,例如文件名、文件类型、文件大小等并不作为文件的数据而存在,我们把这部分信息可以视为文件的元信息。

3.2 文件的管理

随着文件越来越多,那我们该如何组织文件呢,一种合乎自然的想法出现了,就是按照层级结构进行组织 —— 也就是我们数据结构中学习过的树形结构。这样,一种专门用来存放管理信息的特殊文件诞生了,也就是我们平时所谓文件夹(folder)或者目录(directory)的概念。

在我们打开 “此电脑” 后,会发现有的文件没有大小,甚至有时候得连续打开好几个没有大小的文件,没错了,这就是管理文件的文件夹。

 3.3 文件路径

那到底该如何才能在众多文件中找到那个想要的文件呢?

文件路径:从树根结点出发,沿着树杈(沿着文件夹),一路往下查找,到达目标文件,这中间经过的所有内容。

Windows 都是从“此电脑”开始的。表示路径的时候,可以把“此电脑”省略,直接由盘符开始,相当于根结点。

实际表示路径时,是通过一个字符串来表示的,每个目录(文件夹)之间使用 / (斜杠)或者 \ (反斜杠,只能在 windows 中使用,代码中需要写成 \\ , 需要转义字符)来进行分割。

举个例子,在C盘中找一份pdf文件,它的路径表示为:

C:\Apps\4.JavaEE初阶

 路径有绝对路径与相对路径之分,下面举一个具体例子来进行解释。

绝对路径(absolute path):从盘符开始,一层一层往下找,得到的路径

相对路径(relative path):从给定的某个目录出发,一层一层往下找,得到的路径

 对于 “专著Treatise on Geochemistry-2015 15.5 - Sample Digestion Methods.pdf”  这个文件来说,它的绝对路径为:

C:/用户/Christy/文档/Tencent Files/1234567/FileRecv/专著Treatise on Geochemistry-2015 15.5 - Sample Digestion Methods.pdf

相对路径随着工作路径的不同而不同。

如果工作目录是这样子的:

 那么相对路径为:

./FileRecv/专著Treatise on Geochemistry-2015 15.5 - Sample Digestion Methods.pdf

如果工作目录为:

 那么相对路径为:

./QQ号码1/FileRecv/专著Treatise on Geochemistry-2015 15.5 - Sample Digestion Methods.pdf

. 在相对路径中,是一个特殊符号,表示当前目录。 .. 也是特殊符号,表示当前目录的上级目录。

注意事项:

1. 相对路径,一定要明确工作目录是啥,即基准目录

2. 绝对路径,可以理解成以“此电脑”为工作路径

文件系统中,任何一个文件,对应的路径是唯一的。不存在两个路径相同,但文件不同的情况。在 Linux 中则可能存在一个文件,有两个不同路径能找到它,而 Windows 上这种事情不可能发生。Windows 上可以认为,路径和文件是一一对应的,也就是说路径相当于一个文件的 “身份标识”。

3.4 文件的保存

在计算机中,所有数据在存储和运算时,都要使用二进制数来表示,而具体用哪些二进制数字表示哪个符号,这就是编码。编码是信息从一种形式转换为另一种形式的过程;解码则是编码的逆过程。为了让所有的计算机间能够相互通信,那么这些计算机就得使用同样的编码规则。

普通文件,根据保存数据的不同,划分成不同的类型,简单的划分为文本文件和二进制文件。文本文件是基于字符编码的文件,常见的编码有 ASCII 编码,UNICODE 编码等等。二进制文件是基于值编码的文件。

3.4.1 文本文件

ASCII

ASCII ,是 American Standard Code for Information Interchange 的缩写,即美国信息交换标准代码,是基于拉丁字母的一套电脑编码系统,主要用于显示现代英语和其他西欧语言。

ASCII码有两种类型,7位ASCII码以及8位ASCII码。7位ASCII码也叫标准ASCII码,用一个字节(8个比特位)表示一个字符,并规定其最高位为0,实际只用到7位,码值为00000000~01111111,即 0~127。因此可表示 128 个不同字符 。这对于使用英语这种语言的国家来说,128个字符是足够的。

可对于像法语这种,字母头上有符号的语言来说,标准ASCII码值显然是不够的。人们就想,能不能把闲置的最高位也拿来编入新符号,这便是8位ASCII码。但是这也会导致新的问题,不同的国家有不同的字母,因此,哪怕它们都使用256个符号的编码方式,代表的字母也不一样。比如,130在法语编码中代表了é,在希伯来语编码中却代表了字母Gimel (ג),在俄语编码中又会代表另一个符号。对于亚洲国家来说,符号就更多了。汉字根据不完全统计,约有15万个,这远不是256个符号就能概括的。这也就意味着汉字需要另外的编码。

这个世界上有多种语言,也就需要多种的编码,这会造成同一个二进制数字表示不同的符号。那么当人们去打开一个文本文件时,就必须事先知道它的编码方式,否则就会以错误的编码去解读,造成乱码。

那么全世界的计算机又该如何进行沟通呢?

这便是 Unicode,它将这世界上所有的符号都纳入其中,给每一个符号都分配了独一无二的二进制编码。

UNICODE

Unicode ,即统一码,是为了解决传统的字符编码方案局限而产生的,它为每种语言中的每个字符设定了统一并且唯一的二进制编码,这里的二进制数值也叫码点,以满足跨语言、跨平台进行文本转换、处理的要求。

Unicode 字符集的编码范围是 0x0000 - 0x10FFFF , 可以容纳一百多万个字符。

需要注意的是,Unicode 只规定了符号的二进制编码,但并没有规定其存储方式。

为了讲解清楚,有以下情况是需要知道的。

我们已经清楚, 对于英语这门语言来说,一个字节就足以描述,但如果使用了 Unicode 的统一编码,利用 2 ~ 4 不等的字节去表示一个字符的话,那就意味着有字节浪费了,当文本文件很大的时候,也就浪费了很大的空间。

所以对于 Unicode 来说,它有很多存储的方式。如UTF-8、UTF-16、以及 UTF-32。

UTF-8 的最大特点就是它是一种变长的编码方式。它可以使用1~4个字节表示一个符号,根据不同的符号而变化字节长度。

3.4.2 二进制文件

二进制文件存储 0 和 1 这样的二进制数据。常见的二进制文件有,图像、音频、视频以及程序文件等。

3.5 文件系统操作

文件操作可分为两大类:

1. 文件系统操作,包括创建文件、删除文件、重命名文件、创建目录......

2. 文件内容操作,包括读和写。

文件是存储在硬盘中的,直接通过代码来操作硬盘,不大方便;但可以在内存中创建一个对应的对象,操作这个内存中的对象,就可以间接影响到硬盘的文件情况了,就像是遥控器一样。

Java 标准库中,提供了 File 这个类,其对象是硬盘上一个文件的抽象表示。

File 类的构造方法与方法介绍:

构造方法说明
File(File parent, String child)根据父目录 + 孩子文件路径,创建一个新的 File 实例
File(String pathname)根据文件路径创建一个新的 File 实例,路径可以是绝对路径或者相对路径
File(String parent, String child)根据父目录 + 孩子文件路径,创建一个新的 File 实例,父目录用路径表示
返回值类型方法说明
StringgetParent()返回 File 对象的父目录文件路径
StringgetName()返回 FIle 对象的纯文件名称
StringgetPath()返回 File 对象的文件路径
StringgetAbsolutePath()返回 File 对象的绝对路径
StringgetCanonicalPath()返回 File 对象的修饰过的绝对路径
booleanexists()判断 File 对象描述的文件是否真实存在
booleanisDirectory()判断 File 对象代表的文件是否是一个目录
booleanisFile()判断 File 对象代表的文件是否是一个普通文件
booleancreateNewFile()根据 File 对象,自动创建一个空文件。成功创建后返 回 true
booleandelete()根据 File 对象,删除该文件。成功删除后返回 true
voiddeleteOnExit()根据 File 对象,标注文件将被删除,删除动作会到 JVM 运行结束时才会进行
String[]list()返回 File 对象代表的目录下的所有文件名
File[]listFiles()返回 File 对象代表的目录下的所有文件,以 File 对象表示
booleanmkdir()创建 File 对象代表的目录(一级)
booleanmkdirs()创建 File 对象代表的目录,如果必要,会创建中间目录
booleanrenameTo(File dest)进行文件改名,也可以视为我们平时的剪切、粘贴操作
booleancanRead()判断用户是否对文件有可读权限
booleancanWrite()判断用户是否对文件有可写权限

构造 File 对象

构造过程中,使用绝对路径/相对路径进行初始化,这个路径指向的文件,可以是真实存在的,也可以是不存在的。

public class IODemo1 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File file = new File("./dog!.jpg");
        System.out.println(file.getParent());
        System.out.println(file.getName());
        System.out.println(file.getPath());
        System.out.println(file.getAbsolutePath());
        System.out.println(file.getCanonicalPath());
    }
}

此处相对路径的当前工作目录是 IDEA 创建的位置。

当然了,也可以利用 File 里面的方法来创建一个新的文件。

public class IODemo2 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File file = new File("./welcome to the adulthood!.txt");
        System.out.println(file.exists());
        System.out.println(file.isDirectory());
        System.out.println(file.isFile());

        //创建文件
        file.createNewFile();

        System.out.println(file.exists());
        System.out.println(file.isDirectory());
        System.out.println(file.isFile());
        }
}

运行结果:

false
false
false
true
false
true

 删除之后:

file.delete();
        System.out.println("删除文件之后————");
        System.out.println(file.exists());

运行结果:

false

创建目录:多级目录与一级目录

import java.io.File;
import java.io.IOException;

public class IODemo3 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File file = new File("file-dir/aaa/bbb");
        // 创建多级目录
        file.mkdirs();
        file.createNewFile();
        System.out.println(file.getAbsolutePath());
    }
}

输出:

C:\code\may-2023\2023_5_10\file-dir\aaa\bbb

 而对于 mkdir() 这个方法而言,它只能创建一级目录。

import java.io.File;
import java.util.Arrays;

public class IODemo4 {
    public static void main(String[] args) {
        File file = new File("file-dir");
        String[] results = file.list();
        System.out.println(Arrays.toString(results));
        File[] results2 = file.listFiles();
        System.out.println(Arrays.toString(results2));
    }
}

 运行结果:

[aaa]
[file-dir\aaa]

重命名

import java.io.File;

public class IODemo5 {
    public static void main(String[] args) {
        File file = new File("./file-dir");
        File dest = new File("./test222");
        file.renameTo(dest);
    }
}

3.6 文件内容操作

IO,是 input 和 output 的缩写,输入输出的意思,指应用程序和外部设备之间的数据传递,常见的外部设备包括文件、管道、网络连接等。

Java 是通过流来处理 IO 的。 

流(Stream),是一个抽象的概念,是指一连串的数据(字符或字节),是以先进先出的方式发送信息的通道。

流的特性如下:

1. 先进先出:最先写入输出流的数据最先被输入流读取到。

2. 顺序存取:可以一个接一个地往流中写入一串字节,读出时也将按写入顺序读取一串字节,不能随机访问中间的数据。(RandomAccessFile除外)

3. 只读或只写:每个流只能是输入流或输出流的一种,不能同时具备两个功能,输入流只能进行读操作,对输出流只能进行写操作。在一个数据传输通道中,如果既要写入数据,又要读取数据,则要分别提供两个流。

针对文本文件,Java 提供了一组类,统称 “字符流” ,读写的单位为字符;针对二进制文件,Java 提供了另一组类,统称为 “字节流” ,读写的单位为字节。

而上述的两类流对象,又可以进一步的分为输入流(Reader、InputStream)和输出流(Writer、OutputStream)。输入与输出是相对于 CPU 来说的,比如文件读写,读取文件是数据从硬盘来到 CPU ,为输入流,写文件是数据从 CPU 到硬盘,为输出流。

 下面拿 InputStream 来举例子。

 我们发现,InputStream 被 abstract 修饰,即 InputStream 是抽象类,也就意味着不能直接实例化,但我们可以实例化 InputStream 的子类,FileInputStream,来进行文件读取。

需要注意的是:InputStream 不仅仅可以读写硬盘的文件,还可以读写网卡等。

文件的关闭操作是非常重要的!

前面学过进程,它是用 PCB 这样的结构来表示的:

1. pid

2. 内存指针

3. 文件描述符表

文件描述符表记载了进程都打开了哪些文件,每打开一个文件,都会在这个表中申请到一个位置。可以把这个表当成一个数组,数组的下标是文件描述符,而数组的元素是这个文件在内核中的结构体表示。由于文件描述符表的长度是有限的,如果无休止的打开文件,却都不释放(没有进行文件的关闭,在这个过程中,每一个忘记关闭的文件,都会造成一次文件资源泄漏,直到这个表满了),那么这个表就会满。一旦满了,后续文件就会打开失败!所以一定要进行文件的关闭!!

import java.io.InputStream;

public class IODemo6 {
    public static void main(String[] args)  throws IOException{
//test.txt 已事先创建,里面的内容为 hello world
//相当于打开文件
        InputStream inputStream = new FileInputStream("./test.txt");
        System.out.println(inputStream.read());
        // ************************
        inputStream.close();
    }
}

输出:

104 (h 的 ASCII 码值)

但这样子写真的就万无一失了吗?在 ******* 那一行中,如果出现一些问题,比如 return 、抛异常了,就会导致 close 执行不了。所以对上述代码进行如下修改:

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class IODemo6 {
    public static void main(String[] args) throws IOException{
        InputStream inputStream = null;
        try {
            inputStream = new FileInputStream("./test.txt");
        } finally {
            inputStream.close();
        }
    }
}

Java 中提供了一种不需要手动写 close 的语法,如下:

try with resources,带有资源的 try 操作,会在 try 代码块结束之后,自动执行 close 操作。这也是因为 InputStream 实现了一个接口 Closeable。

在讲解清楚文件的打开和关闭之后,下面讲解该如何去读:

使用 read 来读取文件中的字节

1. 无参数的 read,每次读取一个字节,但返回类型却是 int 。为什么不使用 byte 或是short 呢?出于内存对齐的考虑,使用 4 个字节的 int 读取速度反而更快了,虽然会浪费一些空间,但在如今的时代,这点空间也不算什么了。

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class IODemo6 {
    public static void main(String[] args) throws IOException{
        try(InputStream inputStream = new FileInputStream("./test.txt")){
            while(true){
                int a = inputStream.read();
                if(a == -1){
                    //文件读到末尾了,返回 - 1
                    break;
                }
                System.out.println(a);
            }

        }
    }
}

输出:

104
101
108
108
111
32
119
111
114
108
100

因为 InputStream 是字节流,读取的字节,这一个个的数字,是字符对应的 ASCII 码值。

如果 test.txt 里面是汉字呢?修改里面的内容为 你好世界,再次运行程序,结果如下:

228
189
160
229
165
189
228
184
150
231
149
140

这里输出了 12 个数字,每个数字是1个字节,也就意味着,1个汉字3个字节,使用的是 UTF-8 编码。

 再将程序的输出结果按16进制去输出:

e4
bd
a0
e5
a5
bd
e4
b8
96
e7
95
8c

最后介绍该如何去写文件:

import java.io.*;

public class IODemo7 {
    public static void main(String[] args) {
        //写文件
        try(OutputStream outputStream = new FileOutputStream("./test.txt")) {
            outputStream.write(102);
            outputStream.write(105);
            outputStream.write(98);
        }  catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } ;
    }
}

 对于字符流来说,整个流程跟字节流相似,直接给出代码如下:

import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
import java.io.Reader;

public class IODemo8 {
    public static void main(String[] args) {
        try(Reader reader = new FileReader("./test.txt")){
            while(true){
                int c = reader.read();
                if(c == -1){
                    break;
                }
                char ch = (char)c;
                System.out.println(ch);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出:

a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
k

3.7 文件操作示例

3.7.1 示例1 扫描指定目录,并找到名称或者内容中包含指定字符的所有普通文件(不包含目录)

实现思路:

1. 先去递归遍历根目录下的所有目录

2. 每次找到一个文件,都打开,并读取文件内容(得到 String)

3. 判定要查询的词是否在上述文件内容中存在。如果存在,结果即为所求。

这种实现方式并不高效,小规模可行。更高效的实现,需要依赖“倒排索引”这样的数据结构。

import java.io.*;
import java.util.Scanner;

public class IODemo9 {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        // 1. 让用户指定一个要搜索的根目录
        System.out.println("请输入要扫描的根目录:");
        File rootDir = new File(scanner.next());
        if(!rootDir.isDirectory()){
            System.out.println("输入有误,你输入的目录不存在!");
            return;
        }

        // 2. 让用户输入一个要查询的词
        System.out.println("请输入要查询的词:");
        String word = scanner.next();

        // 3. 递归的进行目录/文件的遍历
        scanDir(rootDir, word);
    }

    private static void scanDir(File rootDir, String word){
        //列出当前 rootDir 中的内容,没有内容,直接递归结束
        File[] files = rootDir.listFiles();
        if(files == null){
            // 当前 rootDir 是一个空的目录
            // 没有必要往里递归了
            return;
        }
        // 目录里有内容,就遍历目录中的每个元素
        for(File f : files){
            System.out.println("当前搜索到:" + f.getAbsolutePath());
            if(f.isFile()){
                //是普通文件
                //打开文件,读取内容,比较看是否包含上述关键词
                String content = readFile(f);
                if(content.contains(word)){
                    System.out.println(f.getAbsolutePath() + "包含要查找的关键字!");
                }else if(f.isDirectory()){
                    //是目录
                    //进行递归操作
                    scanDir(f, word);
                }else{
                    //不是普通文件,也不是目录文件,直接跳过
                    continue;
                }
            }
        }
    }

    private static String readFile(File f){
        //读取文件的整个内容,并返回String
        //用字符流来读取
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        try(Reader reader = new FileReader(f)){
            while(true){
                int c = reader.read();
                if(c == -1){
                    break;
                }
                stringBuilder.append((char)c);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return stringBuilder.toString();
    }
}

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hello
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