Java经典I/O操作全解析

### Java经典I/O操作全解析 在Java编程中，I/O操作是非常重要的一部分，它涉及到数据的读写、对象的序列化与反序列化等多个方面。下面将详细介绍Java经典I/O操作的相关知识。 #### 1. 对象反序列化机制 在反序列化一个对象之前，反序列化机制会先检查对象的类是否实现了`Externalizable`接口。具体流程如下： ```mermaid graph TD; A[开始反序列化] --> B{类是否实现Externalizable接口}; B -- 是 --> C[通过公共无参构造函数实例化类]; C -- 成功 --> D[调用readExternal()方法]; B -- 否 --> E{是否存在private readObject(ObjectInputStream)方法}; E -- 是 --> F[调用readObject()方法]; E -- 否 --> G[执行默认反序列化，仅包含非瞬态实例字段]; ``` - **实现`Externalizable`接口**：如果类实现了该接口，机制会尝试通过公共无参构造函数实例化类，若成功则调用`readExternal()`方法。 - **未实现`Externalizable`接口**：机制会查找`private readObject(ObjectInputStream)`方法，若该方法不存在，则执行默认反序列化，只包含非瞬态实例字段。 #### 2. PrintStream类 `PrintStream`类在Java的流类中比较特殊，从命名规范上看，它本应被命名为`PrintOutputStream`。以下是它的一些特点： - **功能**：该类是一个过滤输出流类，它将输入数据项的字符串表示写入底层输出流。 - **字符编码**：使用默认字符编码将字符串的字符转换为字节。由于它不支持不同的字符编码，建议使用等效的`PrintWriter`类，但在处理`System.out`和`System.err`时，需要了解`PrintStream`，因为这两个类字段的类型是`PrintStream`。 - **`print()`和`println()`方法**：`PrintStream`实例有各种`print()`和`println()`方法，用于将整数、浮点值和其他数据项的字符串表示打印到底层输出流。`println()`方法与`print()`方法不同，它会在输出后追加一个行终止符。行终止符不一定是换行符，为了提高可移植性，行分隔符是由系统属性`line.separator`定义的字符序列。例如，在Windows平台上，`System.getProperty("line.separator")`返回实际的回车符（13，符号表示为`\r`），后跟实际的换行符（10，符号表示为`\n`）；而在Unix和Linux平台上，只返回实际的换行符。 - **其他特性**： - 与其他输出流不同，打印流不会重新抛出底层输出流抛出的`IOException`实例，而是设置一个内部标志，可以通过调用`PrintStream`的`boolean checkError()`方法进行测试，若返回`true`则表示有问题。 - 可以创建`PrintStream`对象，使其自动将输出刷新到底层输出流。即写入字节数组、调用`println()`方法之一或写入换行符后，会自动调用`flush()`方法。`System.out`和`System.err`分配的`PrintStream`实例会自动将输出刷新到底层输出流。 - `PrintStream`声明了`PrintStream format(String format, Object... args)`方法用于实现格式化输出，还声明了`printf(String format, Object... args)`便利方法，它委托给`format()`方法。例如，`out.printf(format, args)`与`out.format(format, args)`调用效果相同。 **注意事项**：切勿在要通过`print()`或`println()`方法输出的字符串字面量中硬编码`\n`转义序列，这样做不具有可移植性。当需要输出空行时，最简单的方法是调用`System.out.println()`。 #### 3. 字符集和字符编码的历史 早期计算机和编程语言主要由英语国家的英语程序员创建，他们开发了`ASCII`字符集/编码，它定义了代码点0到127与英语中128个常用字符的标准映射。但`ASCII`对于大多数非英语语言来说是不够的，例如它不支持法语中的变音符号。由于一个字节最多可以表示256个不同的字符，世界各地的开发者开始创建不同的字符集/编码，这些编码包含了128个`ASCII`字符，还额外编码了满足法语、希腊语或俄语等语言需求的字符。 国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）努力将这些8位字符集/编码标准化，形成了`ISO/IEC 8859`系列子标准，如`ISO/IEC 8859 - 1`（也称为`Latin - 1`），它定义了包含`ASCII`以及涵盖大多数西欧国家字符的字符集/编码；`ISO/IEC 8859 - 2`（也称为`Latin - 2`）定义了涵盖中欧和东欧国家的类似字符集/编码。 然而，尽管有这些努力，众多的字符集/编码仍然存在不足，例如大多数字符集/编码只允许创建英语和另一种语言（或少数其他语言）组合的文档，无法使用`ISO/IEC`字符集/编码创建包含英语、法语、土耳其语、俄语和希腊语字符组合的文档。 为了解决这些问题，国际社会创建并不断发展了`Unicode`，它是一个单一的通用字符集。由于`Unicode`字符比`ISO/IEC`字符大，`Unicode`使用几种可变长度编码方案之一，即`Unicode Transformation Format (UTF)`来高效编码`Unicode`字符。例如，`UTF - 8`用1到4个字节对`Unicode`字符集中的每个字符进行编码，并且与`ASCII`向后兼容。 在`ISO/IEC`字符集的上下文中，字符集和字符编码这两个术语通常可以互换使用，因为代码点就是编码；但在`Unicode`的上下文中，`Unicode`是字符集，`UTF - 8`是`Unicode`字符的几种可能的字符编码之一。 #### 4. Writer和Reader类概述 Java的流类适合处理字节序列，但不适合处理字符序列，因为字节和字符是不同的概念，字节表示8位数据项，而字符表示16位数据项。此外，Java的`char`和`String`类型自然地处理字符而非字节，而且字节流对字符集（整数值与符号之间的映射集，如`Unicode`）及其字符编码（字符集成员与字节序列之间的映射，如`UTF - 8`）一无所知。 如果需要处理字符流，应该利用Java的`writer`和`reader`类，它们专为支持字符I/O而设计（处理`char`而非`byte`），并且考虑了字符编码。 `java.io`包提供了几个`writer`和`reader`类，它们是抽象类`Writer`和`Reader`的子类。以下是`writer`和`reader`类的层次结构： | 类型 | 子类 | | ---- | ---- | | `Writer` | `BufferedWriter`、`CharArrayWriter`、`OutputStreamWriter`、`PipedWriter`、`PrintWriter`、`StringWriter`、`FileWriter`、`FilterWriter`（抽象） | | `Reader` | `BufferedReader`、`CharArrayReader`、`InputStreamReader`、`PipedReader`、`PushbackReader`、`FileReader`、`StringReader`、`LineNumberReader`、`FilterReader`（抽象） | 虽然`writer`和`reader`类的层次结构与输出流和输入流的对应结构相似，但也存在差异。例如，`FilterWriter`和`FilterReader`是抽象的，而它们对应的`FilterOutputStream`和`FilterInputStream`不是抽象的；`BufferedWriter`和`BufferedReader`不扩展`FilterWriter`和`FilterReader`，而`BufferedOutputStream`和`BufferedInputStream`扩展`FilterOutputStream`和`FilterInputStream`。这一设计变化可能与性能有关，因为文件I/O活动（如将一个文件复制到另一个文件）可能涉及许多`write()`/`read()`方法调用，不子类化`FilterWriter`和`FilterReader`可以使`BufferedWriter`和`BufferedReader`获得更好的性能。 #### 5. Writer和Reader类的具体介绍 - **Writer类**：是所有`writer`子类的超类，与`OutputStream`相比，有以下不同： - 声明了几个`append()`方法，用于将字符追加到`writer`中。这是因为`Writer`实现了`java.lang.Appendable`接口，该接口与`Formatter`类（用于输出格式化字符串）配合使用。 - 声明了额外的`write()`方法，包括一个方便的`void write(String str)`方法，用于将`String`对象的字符写入`writer`。 - **Reader类**：是所有`reader`子类的超类，与`InputStream`相比，有以下不同： - 声明了`read(char[])`和`read(char[], int, int)`方法，而不是`read(byte[])`和`read(byte[], int, int)`方法。 - 没有声明`available()`方法。 - 声明了一个`boolean ready()`方法，当保证下一次`read()`调用不会阻塞输入时返回`true`。 - 声明了一个`int read(CharBuffer target)`方法，用于从字符缓冲区读取字符。 #### 6. OutputStreamWriter和InputStreamReader类 - **OutputStreamWriter类**：是一个具体的`Writer`子类，它是输入字符序列和输出字节流之间的桥梁。写入该`writer`的字符根据默认或指定的字符编码被编码为字节。默认字符编码可以通过系统属性`file.encoding`访问。每次调用`OutputStreamWriter`的`write()`方法时，会调用编码器对给定的字符进行编码，生成的字节在写入底层输出流之前会先累积在一个缓冲区中，但传递给`write()`方法的字符不会被缓冲。 - **构造函数**： - `OutputStreamWriter(OutputStream out)`：创建一个输入字符序列（通过`append()`和`write()`方法传递给`OutputStreamWriter`）和底层输出流`out`之间的桥梁，使用默认字符编码将字符编码为字节。 - `OutputStreamWriter(OutputStream out, String charsetName)`：创建一个输入字符序列和底层输出流`out`之间的桥梁，`charsetName`指定用于将字符编码为字节的字符编码。如果指定的字符编码不受支持，该构造函数会抛出`java.io.UnsupportedEncodingException`。 - **示例代码**： ```java import java.io.FileOutputStream; import java.io.IOException; import java.io.OutputStreamWriter; public class OutputStreamWriterExample { public static void main(Strin ```