【Linux】Java文件IO之普通IO与Buffer IO

在Java中，输入输出（IO）操作是编程中一项重要的任务。无论是从外部文件中读取数据，还是向文件写入数据，或者是与用户进行交互，都需要用到IO操作。

普通IO

FileOutputStream的使用

FileOutputStream是Java中的一个类，属于java.io包。它用于将数据写入文件。当你需要将数据（通常是字节或字符）写入一个文件时，可以使用FileOutputStream。

以下是FileOutputStream的一些基本用法：

创建一个新的文件并写入数据：

package com.morris.io;

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

/**
 * 创建一个新的文件并写入数据
 */
public class FileOutputStreamDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("/home/vagrant/testfileio/FileOutputStreamDemo.txt");
        outputStream.write("Hello, World!".getBytes());
        outputStream.close();
    }
}

我们可以使用strace命令追踪上面程序执行过程中产生的系统调用：

openat(AT_FDCWD, "/home/vagrant/testfileio/FileOutputStreamDemo.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666) = 4
fstat(4, {st_mode=S_IFREG|0664, st_size=0, ...}) = 0
write(4, "Hello, World!", 13)           = 13
close(4)

向现有文件追加数据：

如果你想向一个已经存在的文件追加数据，而不是覆盖它，你可以使用FileOutputStream的另一个构造函数：

package com.morris.io;

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

/**
 * 向现有文件追加数据
 */
public class FileOutputStreamAppendDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("/home/vagrant/testfileio/FileOutputStreamDemo.txt", true);
        outputStream.write("Appended data".getBytes());
        outputStream.close();
    }
}

产生的系统调用如下：

openat(AT_FDCWD, "/home/vagrant/testfileio/FileOutputStreamDemo.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND, 0666) = 4
fstat(4, {st_mode=S_IFREG|0664, st_size=13, ...}) = 0
write(4, "Appended data", 13)           = 13
close(4)

可以看到在创建新的文件时，openat系统调用传的标志为O_TRUNC，在追加数据时传的标志为O_APPEND。

O_TRUNC和O_APPEND的区别：

• O_TRUNC：打开一个文件时，如果文件已经存在，它的长度将被截断为 0，然后可以重新写入。换句话说，这个操作会清空文件内容。如果文件不存在，则会创建一个新文件。

• O_APPEND：打开一个文件时，写操作总是发生在文件的末尾。即使写入操作在文件的开始部分进行，写指针也会被放在文件的末尾。如果文件不存在，则会创建一个新文件。

注意：当使用FileOutputStream或其他IO类时，始终建议在完成操作后关闭流。这可以通过使用try-with-resources语句或手动调用close()方法来完成。长时间不关闭流可能会导致资源泄露。

FileWriter的使用

FileWriter是Java中的一个类，它属于java.io包，主要用于将字符数据写入文件。这个类提供了方便的方法来将字符串或者字符数组写入文件。

FileWriter的构造方法有多种，可以根据不同的需求选择：

• FileWriter(String fileName)：根据给定的文件名构造一个FileWriter对象。如果文件不存在，它将被创建。如果文件已经存在，它的内容将被覆盖。

• FileWriter(String fileName, boolean append)：根据给定的文件名以及指示是否附加写入数据的boolean值来构造FileWriter对象。如果append为true，则数据将被附加到文件末尾而不是覆盖原有内容；如果append为false，则数据将覆盖原有内容。

• FileWriter(File file)：根据给定的File对象构造一个FileWriter对象。如果文件不存在，它将被创建。如果文件已经存在，它的内容将被覆盖。

• FileWriter(FileDescriptor fd)：构造与文件描述符关联的FileWriter对象。
  此外，FileWriter类还提供了flush()和close()方法来刷新缓冲区和关闭流。在完成写入操作后，应始终关闭流以释放系统资源。

需要注意的是，在某些平台上，如果一个文件已经被另一个FileOutputStream（或其他文件写入对象）打开进行写入，那么在这个文件上再使用FileWriter进行写入可能会失败。因此，在使用FileWriter时，应确保在尝试写入之前没有其他对象已经打开该文件进行写入操作。

FileWriter的使用如下：

package com.morris.io;

import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;

/**
 * FileWriter的使用，直接写入字符
 */
public class FileWriterDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileWriter fileWriter = new FileWriter("/home/vagrant/testfileio/FileWriterDemo.txt");
        fileWriter.write("Hello, World!");
        fileWriter.close();
    }
}

产生的系统调用如下：

openat(AT_FDCWD, "/home/vagrant/testfileio/FileWriterDemo.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666) = 4
fstat(4, {st_mode=S_IFREG|0664, st_size=0, ...}) = 0
write(4, "Hello, World!", 13)           = 13
close(4)

可以看到与FileOutputStream产生的系统调用一致，说明FileWriter只是java层面的封装，底层还是按字节来写。

FileOutputStream和FileWriter的区别

FileOutputStream和FileWriter都是Java中用于文件操作的类，但它们之间存在一些重要的区别。

• 工作方式：FileOutputStream用于二进制数据的写入，每次读入或输出的是8位二进制。而FileWriter则是字符流，每次读入或输出的是16位二进制，即两个字节。

• 处理方式：FileOutputStream是字节流，对于图像数据等二进制数据更为合适。而FileWriter是字符流，更适合处理unicode编码的字符数据，如文本文件。

带Buffer的IO

BufferedOutputStream的使用

BufferedOutputStream是一个缓冲输出流，用于将数据写入底层输出流。它通过建立内部缓冲区来存储数据，从而提高写入效率。使用BufferedOutputStream，应用程序可以将多个字节写入缓冲区，而不是为每个字节编写对底层系统的调用。

BufferedOutputStream的构造器可以接受一个OutputStream对象作为参数，用于创建一个新的缓冲输出流，将数据写入指定的底层输出流。

使用BufferedOutputStream时，可以调用write()方法将数据写入缓冲区。当缓冲区满时，数据会自动刷新到底层输出流中。此外，还可以调用flush()方法强制刷新缓冲区并将数据写入底层输出流。

BufferedOutputStream的使用如下：

import java.io.BufferedOutputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

/**
 * BufferedOutputStream的使用
 */
public class BufferedOutputStreamDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("/home/vagrant/testfileio/BufferedOutputStreamDemo.txt");
        BufferedOutputStream bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(outputStream);
        bufferedOutputStream.write("Hello, World!".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        bufferedOutputStream.close();
    }
}

产生的系统调用如下：

openat(AT_FDCWD, "/home/vagrant/testfileio/BufferedOutputStreamDemo.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666) = 4
write(4, "Hello, World!", 13)           = 13
close(4)

可以看到与FileOutputStream产生的系统调用一致，那么BufferedOutputStream与BufferedOutputStream到底有什么区别呢?

FileOutputStream与BufferedOutputStream的区别

先来看一个数据的对比：

FileOutputStream速度测试：

package com.morris.io;

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

/**
 * FileOutputStream速度测试
 */
public class FileOutputStreamTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("/home/vagrant/testfileio/FileOutputStreamTest.txt");
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 1000_0000; i++) {
            outputStream.write("abc1234567890".getBytes());
        }
        outputStream.close();
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("cost : " + (end - start));
    }
}

上面代码运行的结果耗时为10659。

BufferedOutputStream速度测试：

package com.morris.io;

import java.io.BufferedOutputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;

/**
 * BufferedOutputStream速度测试
 */
public class BufferedOutputStreamTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("/home/vagrant/testfileio/BufferedOutputStreamTest.txt");
        BufferedOutputStream bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(outputStream);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 1000_0000; i++) {
            bufferedOutputStream.write("abc1234567890".getBytes());
        }
        bufferedOutputStream.close();
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("cost : " + (end - start));
    }
}

上面代码运行的结果耗时为400。

是什么原因会导致上面两个例子的耗时相差几十倍呢？

我们先来看下这两个例子对应的系统调用：

FileOutputStreamTest：

openat(AT_FDCWD, "/home/vagrant/testfileio/FileOutputStreamTest.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666) = 4
fstat(4, {st_mode=S_IFREG|0664, st_size=0, ...}) = 0
write(4, "abc1234567890", 13)           = 13
write(4, "abc1234567890", 13)           = 13
write(4, "abc1234567890", 13)           = 13
write(4, "abc1234567890", 13)           = 13
write(4, "abc1234567890", 13)           = 13

BufferedOutputStreamTest：

openat(AT_FDCWD, "/home/vagrant/testfileio/BufferedOutputStreamTest.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666) = 4
fstat(4, {st_mode=S_IFREG|0664, st_size=0, ...}) = 0
write(4, "abc1234567890abc1234567890abc123"..., 8190) = 8190
write(4, "abc1234567890abc1234567890abc123"..., 8190) = 8190
write(4, "abc1234567890abc1234567890abc123"..., 8190) = 8190
write(4, "abc1234567890abc1234567890abc123"..., 8190) = 8190
write(4, "abc1234567890abc1234567890abc123"..., 8190) = 8190

可以看到BufferedOutputStream内置了一个8kb的缓冲区来存储数据，当缓冲区满时，数据会被刷新到Page Cache中，大大的减少了系统调用的次数。这种机制允许BufferedOutputStream在需要时自动刷新缓冲区，确保数据及时写入底层输出流。

BufferedOutputStream是一个装饰者模式的应用。装饰者模式是一种设计模式，用于在不修改现有类的前提下，动态地给一个对象添加新的功能。

BufferedOutputStream作为一个装饰者，扩展了OutputStream的功能，添加了缓冲区来存储数据。它接受一个OutputStream对象作为参数，并在内部维护了一个缓冲区。通过缓冲区，它可以批量写入数据，而不是为每个字节都进行一次底层调用，从而提高了写入效率。

当应用程序调用BufferedOutputStream的write()方法时，数据被写入缓冲区而不是直接写入底层输出流。当缓冲区满时，数据会被刷新到底层输出流中。这种机制允许BufferedOutputStream在需要时自动刷新缓冲区，确保数据及时写入底层输出流。

BufferedWriter的使用

BufferedWriter用于将文本写入字符输出流，并缓冲字符以便更有效地写入单个字符、数组和字符串。它继承自Writer类，并提供了额外的缓冲功能来提高写入效率。

BufferedWriter的主要特点包括：

• 缓冲机制：BufferedWriter内部维护了一个缓冲区，用于存储写入的数据。通过将数据写入缓冲区，可以提高写入效率，减少对底层输出流的直接写入操作。当缓冲区满时，数据会自动刷新到底层输出流中。

• 数据类型：BufferedWriter的write()方法可以接受字符、字符数组和字符串作为参数，以便写入不同类型的数据。

• 行分隔符：BufferedWriter提供了newLine()方法，用于写入一个行分隔符，以便在输出中自动添加换行符。这使得在输出文本时可以方便地添加换行操作。

• 异常处理：BufferedWriter的方法可能会抛出IOException异常，因此需要在代码中进行适当的异常处理。

• 构造函数参数：BufferedWriter的构造函数可以接受一个Writer对象作为参数，用于创建新的BufferedWriter对象。

• 刷新缓存：BufferedWriter提供了flush()方法，用于强制刷新缓冲区并将数据写入底层输出流。

使用BufferedWriter时，可以将数据逐个写入缓冲区，而不是直接写入底层输出流。当需要将数据刷新到底层输出流时，可以调用flush()方法。此外，通过使用newLine()方法，可以在输出中自动添加换行符，简化换行操作。

BufferedWriter的使用：

package com.morris.io;

import java.io.BufferedWriter;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStreamWriter;

/**
 * BufferedWriter的使用
 * 相当于FileWriter+BufferedOutputStream的结合
 */
public class BufferedWriterDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("/home/vagrant/testfileio/BufferedWriterDemo.txt");
        BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(outputStream));
        bufferedWriter.write("Hello, World!");
        bufferedWriter.close();
    }
}

PrintWriter的使用

PrintWriter向文本输出流打印对象的格式化表示形式(Prints formatted representations of objects to a text-output stream)。

PrintWriter相对于BufferedWriter的好处在于，如果PrintWriter开启了自动刷新，那么当PrintWriter调用println，prinlf或format方法时，输出流中的数据就会自动刷新出去。PrintWriter不但能接收字符流，也能接收字节流。

PrintWriter的使用：

package com.morris.io;

import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStreamWriter;
import java.io.PrintWriter;

/**
 * PrintWriter的使用
 * 对BufferedWriter的升级
 */
public class PrintWriterDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("/home/vagrant/testfileio/BufferedWriterDemo.txt");
        PrintWriter bufferedWriter = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(outputStream));
        bufferedWriter.println("Hello, World!");
        bufferedWriter.close();
    }
}

Socket编程中,尽量用PrintWriter取代BufferedWriter，下面是PrintWriter的优点：

• PrintWriter的print、println方法可以接受任意类型的参数，而BufferedWriter的write方法只能接受字符、字符数组和字符串；

• PrintWriter的println方法自动添加换行，BufferedWriter需要显示调用newLine方法；

• PrintWriter的方法不会抛异常，若关心异常，需要调用checkError方法看是否有异常发生；

• PrintWriter构造方法可指定参数，实现自动刷新缓存（autoflush）；

• PrintWriter的构造方法更广。