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【文件IO】文件内容操作

news 来源：原创 2024/9/20 10:27:15

读文件、写文件，都是操作系统提供了 API，在 Java 中也进行了封装，叫“文件流”/“IO流”

Stream
流，形象比喻，水流/气流

水流的特点：我要通过水龙头，接 1000ml 水

  1. 直接一口气，把 1000ml 接完
  2. 一次接 500ml，分两次接完
  3. 一次接 100ml，分十次接完
  4. …

IO 流的特点：我要从文件读取 100 字节文件

  1. 直接一口气，把 100 字节读完
  2. 一次读 50 字节，分两次读
  3. 一次读 10 字节，分十次
  4. …

操作系统本身提供的文件读写 API 就是流式
Java 实现 IO 流，类有很多，主要分为两个大类：

字节流和字符流

  • 字节流：二进制文件使用
    • 读写数据的基本单位，就是字节
    • 一次读的 bit 不可少于 8 个，因为一个字节 8 个 bit，至少得读一个字节

表示字节流的类

  • InputStream，用来输入的

  • OutputStream，用来输出的

  • 字符流：文本文件使用

    • 一个字符不确定有几个字节，取决于实际的编码方式（GBK—一个汉字两个字节、UTF 8—一个汉字三个字节，一个字母一个字节）
    • 内部做的工作更多，会自动的查询码表，把二进制数据转换成对应字符

表示字符流的类

  • Reader，输入
  • Writer，输出

比如，就像读取某个文件中的前 10 个汉字
使用字符流就可以非常方方便的实现

  • 直接读取 10 个字符
  • 字符流自动判定文件是哪种编码方式，再将字节分割好
  • 再读取对数量字节就得到 10 个汉字了

理解清楚“输入/输出”的方向（人为定义的）
把内存中的数据，放到硬盘上，视为输入还是输出呢？

  • 如果站在内存视角，就是输出
  • 如果站在硬盘视角，就是输入

后面但凡谈到输入输出，都是以 CPU 的视角来谈的，内存离 CPU 比硬盘离 CPU 更近

  • 数据远离 CPU，就是输出，将内存中的数据写到硬盘里
  • 数据靠近 CPU，就是输入，硬盘文件中的数据拿到内存里

上面四个输入输出的类，都是“抽象类”
实际上真正干活的，并非这四个类
另外，Java 中，提供了很多很多类，实现上述的这四个抽象类
因为类太多了，就使得我们对于 IO 流的理解就非常费劲

  • 但虽然种类多，但其实大家的用法都差不多
  • 但凡类的名字是以“Read/Writer”结尾的，就是实现了 Read 和 Writer 的字符流对象
  • 但凡类的名字是以“InputStream/OutputStream”结尾的，就是实现了 InputStream 和 OutputStream 的字节流对象
import java.io.FileInputStream;  
import java.io.IOException;  
import java.io.InputStream;  public class Demo8 {  //这个异常是IOException的子类，是其特殊的情况，可以直接写成 IOException    public static void main(String[] args) throws IOException {  //因为他是一个抽象类，所以不能直接new  //只能new一个实现了它的子类  InputStream inputStream = new FileInputStream("./text.txt");  //可以指定绝对路径，也可以指定相对路径，也可以指定 File 对象  inputStream.close();  }
}
  • FileNotFoundException 这个异常是 IOException 的子类，是他的一种特殊情况，可以就 throws 这个父类异常
  • 抽象类不能直接被 new，只能 new 一个实现了它的子类
    • 在这里还隐藏了一个操作，“打开文件”，针对文件进行读写，务必需要先打开（操作系统的基本要求）
  • 指定路径的时候，可以指定绝对路径，也可以指定相对路径，也可以指定 File 对象
  • 这个代码中，虽然要求文件使用完毕之后要关闭，但是局限于本代码，不写 close 也行。因为 close 之后，紧接着就是进程结束了
    • close 是释放“文件描述符表”里的元素，进程结束，意味着 PCB 就销毁了，PCB 上面的文件描述符表就整个释放了

文件资源泄露

打开文件之后，还需要关闭文件

打开文件，其实是在该进程的文件描述符表中，创建了一个新的表项

  • 进程 => PCB（进程控制块）=> 文件描述表
  • 这个表描述了该进程都需要操作哪些文件
  • 可以认为它是一个数组，数组的每个元素就是一个 struct file 对象（Linux 内核）
  • 每个结构体就描述了对应操作的文件的信息
  • 数组的下标，就称为“文件描述符”

每次打开一个文件，就相当于在数组上占用一个位置，而在系统内核中，文件描述附表数组是固定长度&不可扩容的。除非主动调用 close 关闭文件，此时才会释放空间。如果代码里一直打开，不去关闭，就会使这里的资源越来越少，把数组填满了，后续再打开文件就会打开失败

这样的问题，不容易被发现，泄露不是一瞬间就泄露完耳朵，这是一个持续的过程。整个问题直到所有的资源泄露完毕，这一刻才会集中的爆发出来

import java.io.FileInputStream;  
import java.io.IOException;  
import java.io.InputStream;  public class Demo8 {  public static void main(String[] args) {  try(InputStream inputStream = new FileInputStream("./text.txt")){  }catch(IOException e){  e.printStackTrace();  }    }
}
  • 在 close 的时候，问了防止因为一些特殊原因代码执行不到 close，有一种特殊的 try 方法——try with sources
  • 这里() 中的创建的资源可以是多个
  • try{}执行完毕，最终都会自动执行这里的 close
    • 不过想在() 里面写，必须是实现了 Closable 接口的类
      `

字节流

1. 读文件

在文件打开之后，就需要读文件了

image.png

import java.io.FileInputStream;  
import java.io.IOException;  
import java.io.InputStream;  public class Demo8 {  public static void main(String[] args) {  try(InputStream inputStream = new FileInputStream("./text")){  while (true) {  int b = inputStream.read();  if(b == -1){  //读取完毕  break;  }                System.out.printf("0x%x\n",b);  }        }catch(IOException e){  e.printStackTrace();  }    }
}
//运行结果（text文件内容：hello）
0x68
0x65
0x6c
0x6c
0x6f
//（text文件内容：你好）
0xe4
0xbd
0xa0
0xe5
0xa5
0xbd
  • 当读到最后一个字节，就返回 -1
  • 打印字节的时候，一般都用十六进制进行表示，方便随时换算成二进制
  • hello，可在 ASCII 码表中找到对应单词；“你好”因为是六个字节，所以可以确定是 UTF8 编码方式，就可以在 UTF8 码表中对应打印出的内容拼出“你好”

频繁读取多次硬盘，当前硬盘的 IO 就耗时比较大，希望能减少 IO 的次数

byte[] buffer = new byte[1024];  
int n = inputStream.read(buffer);
  • 这个操作就会把硬盘中读取到的对应的数据，填充到 buffer 内存的字节数组中，并且尽可能填满（只需要一次 IO）
    • 此处是把 buffer 形参当成了“输出型参数”
    • 平时写代码，方法的参数一般是“输入型参数”，使用返回值表示输出结果
  • 虽然是一次读的内容多了，但也比一次读 1 个字节，分很多次读效率高不少
  • 返回的 n 代表实际读到的字节数
  • 这个过程也非常类似于“去食堂打饭”
    • 拿空盘递给阿姨打饭（空 buffer 给 read）
    • 阿姨打满后，再把盘给你（read 把读完的内容装进 buffer）
import java.io.FileInputStream;  
import java.io.IOException;  
import java.io.InputStream;  public class Demo9 {  public static void main(String[] args) {  try(InputStream inputStream = new FileInputStream("./text")){  byte[] buffer = new byte[1024];  int n = inputStream.read(buffer);  for (int i = 0; i < n; i++) {  System.out.printf("0x%x\n",buffer[i]);  }        }catch (IOException e){  e.printStackTrace();  }    }
}

和 Scanner 结合：

import java.io.FileInputStream;  
import java.io.IOException;  
import java.io.InputStream;  
import java.util.Scanner;  public class Demo14 {  public static void main(String[] args) throws IOException{  try(InputStream inputStream = new FileInputStream("./text")){  Scanner scanner = new Scanner(inputStream);  while(scanner.hasNextInt()){  System.out.println(scanner.nextInt());  }        }catch (IOException e){  e.printStackTrace();  }    }
}
  • 这样也可以完成文件内容的读取

2. 写文件

image.png|449

在文件中写入“你好”

import java.io.*;  public class Demo10 {  public static void main(String[] args) throws IOException {  try(OutputStream outputStream = new FileOutputStream("./text");){  outputStream.write(0xe4);  outputStream.write(0xbd);  outputStream.write(0xa0);  outputStream.write(0xe5);  outputStream.write(0xa5);  outputStream.write(0xbd);}catch (IOException e){  e.printStackTrace();  }    }
}
  • 这里是按照一个字节一个字节的方式进行写入的
  • 每次执行写操作的时候，都会先把之前的内容清空
    • 只要使用 OunputStream 打开文件，文件里面的内容就没了
    • 这样的操作，可能就把文件内容搞没了，并且找不回来了

还有一种“追加写”的方式，保持原内容不变，在末尾写入新内容

try(OutputStream outputStream = new FileOutputStream("./text",true);)
  • 在最后加上一个参数 true，代表开启“追加写”的方式

一次把整个字节数组都写入：

import java.io.*;  public class Demo10 {  public static void main(String[] args) throws IOException {  try(OutputStream outputStream = new FileOutputStream("./text",true);){  byte[] buffer = new byte[] {(byte)0xe4,(byte)0xbd,(byte)0xa0,(byte)0xe5,(byte)0xa5,(byte)0xbd};  outputStream.write(buffer);  }catch (IOException e){  e.printStackTrace();  }  }  
}

InputStream / OutputStream 读写数据就是按照字节来操作的。如果要读写字符的话（中文），此时就绪要靠程序员手动来区分出哪几个字节是一个字符，再确保把这几个字节作为整体来写入

字符流

1. 读文件

为了方便处理字符，引入字符流
image.png|518

一次读一个字符：

import java.io.FileReader;  
import java.io.IOException;  
import java.io.Reader;  public class Demo11 {  public static void main(String[] args) throws IOException {  try(Reader reader = new FileReader("./text")){  while (true) {  int c = reader.read();  if (c == -1) return;  char ch = (char) c;  System.out.println(ch);  }        }catch (IOException e){  e.printStackTrace();  }    }
}
  • 每次 read 读到的就是一个汉字
  • 最初按照字节来读的时候，是每个汉字三个字节，但在 Java 中一个 char 是两个字节，怎么用两个字节表示出了一个汉字？
    • 当使用 char 表示这里的汉字的时候，不再使用 UTF8，而是使用 unicode 编码方式
    • 在 unicode 中，一个汉字就是两个字节
  • 使用字符流读取数据的过程，Java 标准库内部就自动针对数据的编码进行转码了

用字符数组一次读若干字符：

import java.io.FileReader;  
import java.io.IOException;  
import java.io.Reader;  public class Demo12 {  public static void main(String[] args) throws IOException {  try(Reader reader = new FileReader("./text")){  char[] buffer = new char[1024];  int n = reader.read(buffer);  System.out.println(n);  for (int i = 0; i < n; i++) {  System.out.println(buffer[i]);  }        }catch (IOException e){  e.printStackTrace();  }    }
}

2. 写文件

import java.io.FileWriter;  
import java.io.IOException;  
import java.io.Writer;  
import java.nio.channels.WritableByteChannel;  public class Demo13 {  public static void main(String[] args) throws IOException {  try(Writer writer = new FileWriter("./text")){  writer.write("你好世界");  }catch (IOException e){  e.printStackTrace();  }    }
}
  • 直接写入一个 String 到文件中

小结：
当前设计的这八个类，虽然数目不少，但用法都很相似
基本流程：打开 —> 读写 —> 关闭

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