Java I/O操作

引言

在Java编程中，输入和输出（I/O）操作是必不可少的部分。Java I/O通过一系列流（Stream）类和方法，支持文件操作、控制台输入输出、网络I/O等多种I/O操作。本文将详细介绍Java I/O的基础概念、文件操作、字符流与字节流的区别、序列化与反序列化以及新的I/O（NIO）等内容，并通过表格进行总结和示范。

Java I/O基础概念

流的概念

流（Stream）是指数据的流动，是一个顺序读写数据的抽象。Java定义了两种基本类型的流：

  • 字节流：用于处理字节数据，最基础的类是InputStream和OutputStream。
  • 字符流：用于处理字符数据，最基础的类是Reader和Writer。

流的分类

Java I/O流可以按照数据类型分类为字节流和字符流，也可以按照数据流向分为输入流和输出流。

类型输入流输出流
字节流InputStreamOutputStream
字符流ReaderWriter

文件与目录操作

文件类（File）

File类表示文件或目录，可以对其进行创建、删除、获取信息等操作。

import java.io.File;
import java.io.IOException;public class FileExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个File对象File file = new File("example.txt");try {// 创建新文件if (file.createNewFile()) {System.out.println("File created: " + file.getName());} else {System.out.println("File already exists.");}// 获取文件信息System.out.println("Absolute path: " + file.getAbsolutePath());System.out.println("Writable: " + file.canWrite());System.out.println("Readable: " + file.canRead());System.out.println("File size in bytes: " + file.length());} catch (IOException e) {System.out.println("An error occurred.");e.printStackTrace();}}
}

文件与目录操作方法表

方法描述示例
createNewFile()创建一个新的文件file.createNewFile();
delete()删除文件或目录file.delete();
exists()判断文件或目录是否存在file.exists();
getAbsolutePath()获取文件的绝对路径file.getAbsolutePath();
canWrite()判断文件是否可写file.canWrite();
canRead()判断文件是否可读file.canRead();
length()获取文件大小（字节）file.length();

字符流和字节流

字节流

字节流用于处理字节数据，通过InputStream和OutputStream类及其子类进行输入输出操作。

示例：使用FileInputStream和FileOutputStream进行文件字节操作

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("input.txt");FileOutputStream fos = new FileOutputStream("output.txt")) {int byteData;// 逐字节读取数据while ((byteData = fis.read()) != -1) {// 逐字节写入数据fos.write(byteData);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

字符流

字符流用于处理字符数据，通过Reader和Writer类及其子类进行输入输出操作。

示例：使用FileReader和FileWriter进行文件字符操作

import java.io.FileReader;
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;public class CharStreamExample {public static void main(String[] args) {try (FileReader fr = new FileReader("input.txt");FileWriter fw = new FileWriter("output.txt")) {int charData;// 逐字符读取数据while ((charData = fr.read()) != -1) {// 逐字符写入数据fw.write(charData);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

字符流和字节流的比较表

特性字节流字符流
基本类InputStream 和 OutputStreamReader 和 Writer
数据处理单位字节（8位）字符（16位）
适用场景二进制数据（如图像、音频）文本数据（如文本文件）
典型实现类FileInputStream, FileOutputStreamFileReader, FileWriter

序列化与反序列化

序列化

序列化是将对象转换为字节流并写到文件或网络中的过程。实现Serializable接口的类可以被序列化。

示例：对象序列化

import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.io.Serializable;class Person implements Serializable {private static final long serialVersionUID = 1L;String name;int age;public Person(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}
}public class SerializationExample {public static void main(String[] args) {Person person = new Person("John", 30);try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("person.ser");ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos)) {oos.writeObject(person);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

反序列化

反序列化是将字节流转换为对象的过程。读取序列化文件时使用ObjectInputStream。

示例：对象反序列化

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;public class DeserializationExample {public static void main(String[] args) {try (FileInputStream fis = new FileInputStream("person.ser");ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis)) {Person person = (Person) ois.readObject();System.out.println("Name: " + person.name);System.out.println("Age: " + person.age);} catch (IOException | ClassNotFoundException e) {e.printStackTrace();}}
}

序列化与反序列化的表格总结

概念描述示例
序列化将对象转换为字节流并写到文件或网络中ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("file.ser")); oos.writeObject(object);
反序列化将字节流转换为对象ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("file.ser")); Object obj = ois.readObject();
必需接口需要实现 Serializable 接口class Person implements Serializable { ... }
序列化ID建议定义 serialVersionUID 字段应避免反序列化不兼容private static final long serialVersionUID = 1L;

新的I/O (NIO)

Java的新的I/O（NIO）引入了多个新概念，如缓冲区、通道和选择器。这些概念提供了更高效的I/O处理，特别是在处理大数据和高性能网络应用方面。下面我们将详细介绍这些概念。

缓冲区（Buffer）

缓冲区是NIO数据操作的基础，用于存储和操作数据。Java NIO提供了多种类型的缓冲区，比如ByteBuffer、CharBuffer等。

示例：使用ByteBuffer

import java.nio.ByteBuffer;public class BufferExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个大小为10的字节缓冲区ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);// 写入数据到缓冲区buffer.put((byte) 1);buffer.put((byte) 2);// 切换到读模式buffer.flip();// 读取缓冲区中的数据while (buffer.hasRemaining()) {byte data = buffer.get();System.out.println(data);}}
}

通道（Channel）

通道是一个连接数据源和缓冲区的通道，数据可以通过通道从数据源读入缓冲区，或从缓冲区写入到数据源。常用的通道有FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel等。

示例：使用FileChannel

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.StandardOpenOption;public class ChannelExample {public static void main(String[] args) {// 文件路径Path path = Path.of("example.txt");// 使用文件通道写入数据try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.WRITE)) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);buffer.put("Hello, NIO!".getBytes());buffer.flip();fileChannel.write(buffer);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}// 使用文件通道读取数据try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ)) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);fileChannel.read(buffer);buffer.flip();while (buffer.hasRemaining()) {System.out.print((char) buffer.get());}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

选择器（Selector）

选择器是NIO中的多路复用器，可以用于管理多个通道，特别适用于网络编程。Selector与SelectableChannel配合使用，可以高效地处理非阻塞I/O操作。

示例：使用Selector进行非阻塞I/O

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;public class SelectorExample {public static void main(String[] args) {try {// 打开选择器Selector selector = Selector.open();// 打开服务器套接字通道ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));serverSocketChannel.configureBlocking(false);// 将通道注册到选择器，并监听接受事件serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);// 循环等待事件while (true) {selector.select();Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();iterator.remove();if (key.isAcceptable()) {// 接受新连接ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel socketChannel = serverChannel.accept();socketChannel.configureBlocking(false);socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);} else if (key.isReadable()) {// 读取数据SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(256);socketChannel.read(buffer);buffer.flip();System.out.println("Received: " + new String(buffer.array()).trim());}}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

NIO关键概念表格总结

概念描述示例
缓冲区（Buffer）用于存储数据的容器，可以是字节、字符、短整型等ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
通道（Channel）用于连接数据源与缓冲区，实现I/O操作FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ);
选择器（Selector）用于管理多个通道，实现非阻塞I/O的多路复用Selector.open(); selector.select();

表格总结

文件与目录操作方法表

方法描述示例
createNewFile()创建一个新的文件file.createNewFile();
delete()删除文件或目录file.delete();
exists()判断文件或目录是否存在file.exists();
getAbsolutePath()获取文件的绝对路径file.getAbsolutePath();
canWrite()判断文件是否可写file.canWrite();
canRead()判断文件是否可读file.canRead();
length()获取文件大小（字节）file.length();

字符流和字节流的比较表

特性字节流字符流
基本类InputStream 和 OutputStreamReader 和 Writer
数据处理单位字节（8位）字符（16位）
适用场景二进制数据（如图像、音频）文本数据（如文本文件）
典型实现类FileInputStream, FileOutputStreamFileReader, FileWriter

序列化与反序列化的表格总结

概念描述示例
序列化将对象转换为字节流并写到文件或网络中ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("file.ser")); oos.writeObject(object);
反序列化将字节流转换为对象ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("file.ser")); Object obj = ois.readObject();
必需接口需要实现 Serializable 接口class Person implements Serializable { ... }
序列化ID建议定义 serialVersionUID 字段以避免反序列化不兼容private static final long serialVersionUID = 1L;

NIO关键概念表格总结

概念描述示例
缓冲区（Buffer）用于存储数据的容器，可以是字节、字符、短整型等ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
通道（Channel）用于连接数据源与缓冲区，实现I/O操作FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ);
选择器（Selector）用于管理多个通道，实现非阻塞I/O的多路复用Selector.open(); selector.select();

总结

本文详细介绍了Java I/O操作，包括文件和目录操作、字符流与字节流的区别、序列化与反序列化、新的I/O（NIO）等内容。通过示例代码和表格总结，帮助您更好地理解和应用Java中的I/O操作，提高程序的读取和写入效率。

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