javaIO流之缓冲流

简介

Java 的缓冲流是对字节流和字符流的一种封装，通过在内存中开辟缓冲区来提高 I/O 操作的效率。Java 通过 BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream 来实现字节流的缓冲，通过 BufferedReader 和 BufferedWriter 来实现字符流的缓冲。

缓冲流的工作原理是将数据先写入缓冲区中，当缓冲区满时再一次性写入文件或输出流，或者当缓冲区为空时一次性从文件或输入流中读取一定量的数据。这样可以减少系统的 I/O 操作次数，提高系统的 I/O 效率，从而提高程序的运行效率。

1、字节缓冲流

BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream 属于字节缓冲流，强化了字节流 InputStream 和 OutputStream，关于字节流。

1.1构造方法

• BufferedInputStream(InputStream in) ：创建一个新的缓冲输入流，注意参数类型为InputStream。
• BufferedOutputStream(OutputStream out)： 创建一个新的缓冲输出流，注意参数类型为OutputStream。
  代码示例如下：

// 创建字节缓冲输入流，先声明字节流
FileInputStream fps = new FileInputStream(b.txt);
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fps)// 创建字节缓冲输入流（一步到位）
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("b.txt"));// 创建字节缓冲输出流（一步到位）
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("b.txt"));

1.2缓冲流的高效

我们通过复制一个 370M+ 的大文件，来测试缓冲流的效率。为了做对比，我们先用基本流来实现一下，代码如下：

// 记录开始时间
long start = System.currentTimeMillis();
// 创建流对象
try (FileInputStream fis = new FileInputStream("py.mp4");//exe文件够大FileOutputStream fos = new FileOutputStream("copyPy.mp4")){// 读写数据int b;while ((b = fis.read()) != -1) {fos.write(b);}
}
// 记录结束时间
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("普通流复制时间:"+(end - start)+" 毫秒");

不好意思，我本机比较菜，10 分钟还在复制中。切换到缓冲流试一下，代码如下：

// 记录开始时间
long start = System.currentTimeMillis();
// 创建流对象
try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("py.mp4"));BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("copyPy.mp4"));){// 读写数据int b;while ((b = bis.read()) != -1) {bos.write(b);}
}
// 记录结束时间
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("缓冲流复制时间:"+(end - start)+" 毫秒");

只需要 8016 毫秒，如何更快呢？

可以换数组的方式来读写，这个我们前面也有讲到，代码如下：

// 记录开始时间
long start = System.currentTimeMillis();
// 创建流对象
try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("py.mp4"));BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("copyPy.mp4"));){// 读写数据int len;byte[] bytes = new byte[8*1024];while ((len = bis.read(bytes)) != -1) {bos.write(bytes, 0 , len);}
}
// 记录结束时间
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("缓冲流使用数组复制时间:"+(end - start)+" 毫秒");

这下就更快了，只需要 521 毫秒。

1.3为什么字节缓冲流会这么快？

传统的 Java IO 是阻塞模式的，它的工作状态就是“读/写，等待，读/写，等待。。。。。。”

字节缓冲流解决的就是这个问题：一次多读点多写点，减少读写的频率，用空间换时间。

• 减少系统调用次数：在使用字节缓冲流时，数据不是立即写入磁盘或输出流，而是先写入缓冲区，当缓冲区满时再一次性写入磁盘或输出流。这样可以减少系统调用的次数，从而提高 I/O 操作的效率。
• 减少磁盘读写次数：在使用字节缓冲流时，当需要读取数据时，缓冲流会先从缓冲区中读取数据，如果缓冲区中没有足够的数据，则会一次性从磁盘或输入流中读取一定量的数据。同样地，当需要写入数据时，缓冲流会先将数据写入缓冲区，如果缓冲区满了，则会一次性将缓冲区中的数据写入磁盘或输出流。这样可以减少磁盘读写的次数，从而提高 I/O 操作的效率。
• 提高数据传输效率：在使用字节缓冲流时，由于数据是以块的形式进行传输，因此可以减少数据传输的次数，从而提高数据传输的效率。

我们来看 BufferedInputStream 的 read 方法：

public synchronized int read() throws IOException {if (pos >= count) {     // 如果当前位置已经到达缓冲区末尾fill();             // 填充缓冲区if (pos >= count)   // 如果填充后仍然到达缓冲区末尾，说明已经读取完毕return -1;      // 返回 -1 表示已经读取完毕}return getBufIfOpen()[pos++] & 0xff; // 返回当前位置的字节，并将位置加 1
}

我们来看 BufferedInputStream 的 read 方法：

public synchronized int read() throws IOException {if (pos >= count) {     // 如果当前位置已经到达缓冲区末尾fill();             // 填充缓冲区if (pos >= count)   // 如果填充后仍然到达缓冲区末尾，说明已经读取完毕return -1;      // 返回 -1 表示已经读取完毕}return getBufIfOpen()[pos++] & 0xff; // 返回当前位置的字节，并将位置加 1
}

这段代码主要有两部分：

• fill()：该方法会将缓冲 buf 填满。
• getBufIfOpen()[pos++] & 0xff：返回当前读取位置 pos 处的字节（getBufIfOpen()返回的是 buffer 数组，是 byte 类型），并将其与 0xff 进行位与运算。这里的目的是将读取到的字节 b 当做无符号的字节处理，因为 Java 的 byte 类型是有符号的，而将 b 与 0xff 进行位与运算，就可以将其转换为无符号的字节，其范围为 0 到 255。

byte & 0xFF 我们一会再细讲。

再来看 FileInputStream 的 read 方法：

在这段代码中，read0() 方法是一个本地方法，它的实现是由底层操作系统提供的，并不是 Java 语言实现的。在不同的操作系统上，read0() 方法的实现可能会有所不同，但是它们的功能都是相同的，都是用于读取一个字节。

再来看一下 BufferedOutputStream 的 write(byte b[], int off, int len) 方法：

public synchronized void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {if (len >= buf.length) {    // 如果写入的字节数大于等于缓冲区长度/* 如果请求的长度超过了输出缓冲区的大小，先刷新缓冲区，然后直接将数据写入。这样可以避免缓冲流级联时的问题。*/flushBuffer();          // 先刷新缓冲区out.write(b, off, len); // 直接将数据写入输出流return;}if (len > buf.length - count) { // 如果写入的字节数大于空余空间flushBuffer();              // 先刷新缓冲区}System.arraycopy(b, off, buf, count, len); // 将数据拷贝到缓冲区中count += len;                             // 更新计数器
}

• 首先，该方法会检查写入的字节数是否大于等于缓冲区长度，如果是，则先将缓冲区中的数据刷新到磁盘中，然后直接将数据写入输出流。这样做是为了避免缓冲流级联时的问题，即缓冲区的大小不足以容纳写入的数据时，可能会引发级联刷新，导致效率降低。

• 级联问题（Cascade Problem）是指在一组缓冲流（Buffered Stream）中，由于缓冲区的大小不足以容纳要写入的数据，导致数据被分割成多个部分，并分别写入到不同的缓冲区中，最终需要逐个刷新缓冲区，从而导致性能下降的问题。

• 其次，如果写入的字节数小于缓冲区长度，则检查缓冲区中剩余的空间是否足够容纳要写入的字节数，如果不够，则先将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。然后，使用 System.arraycopy() 方法将要写入的数据拷贝到缓冲区中，并更新计数器 count。

• 最后，如果写入的字节数小于缓冲区长度且缓冲区中还有剩余空间，则直接将要写入的数据拷贝到缓冲区中，并更新计数器 count。

也就是说，只有当 buf 写满了，才会 flush，将数据刷到磁盘，默认一次刷 8192 个字节。

public BufferedOutputStream(OutputStream out) {this(out, 8192);
}

如果 buf 没有写满，会继续写 buf。

对比一下 FileOutputStream 的 write 方法，同样是本地方法，一次只能写入一个字节。
当把 BufferedOutputStream 和 BufferedInputStream 配合起来使用后，就减少了大量的读写次数，尤其是 byte[] bytes = new byte[8*1024]，就相当于缓冲区的空间有 8 个 1024 字节，那读写效率就会大大提高。

1.4byte & 0xFF

byte 类型通常被用于存储二进制数据，例如读取和写入文件、网络传输等场景。在这些场景下，byte 类型的变量可以用来存储数据流中的每个字节，从而进行读取和写入操作。

byte 类型是有符号的，即其取值范围为 -128 到 127。如果我们希望得到的是一个无符号的 byte 值，就需要使用 byte & 0xFF 来进行转换。

这是因为 0xFF 是一个无符号的整数，它的二进制表示为 11111111。当一个 byte 类型的值与 0xFF 进行位与运算时，会将 byte 类型的值转换为一个无符号的整数，其范围为 0 到 255。

0xff 是一个十六进制的数，相当于二进制的 11111111，& 运算符的意思是：如果两个操作数的对应位为 1，则输出 1，否则为 0；由于 0xff 有 8 个 1，单个 byte 转成 int 其实就是将 byte 和 int 类型的 255 进行(&)与运算。

例如，如果我们有一个 byte 类型的变量 b，其值为 -1，那么 b & 0xFF 的结果就是 255。这样就可以将一个有符号的 byte 类型的值转换为一个无符号的整数。

& 运算是一种二进制数据的计算方式, 两个操作位都为1，结果才为1，否则结果为0. 在上面的 getBufIfOpen()[pos++] & 0xff 计算过程中, byte 有 8bit, OXFF 是16进制的255, 表示的是 int 类型, int 有 32bit.

如果 getBufIfOpen()[pos++] 为 -118, 那么其原码表示为

00000000 00000000 00000000 10001010

反码为

11111111 11111111 11111111 11110101

补码为

11111111 11111111 11111111 11110110

0XFF 表示16进制的数据255, 原码, 反码, 补码都是一样的, 其二进制数据为

00000000 00000000 00000000 11111111

0XFF 和 -118 进行&运算后结果为

00000000 00000000 00000000 11110110

还原为原码后为

00000000 00000000 00000000 10001010

其表示的 int 值为 138，可见将 byte 类型的 -118 与 0XFF 进行与运算后值由 -118 变成了 int 类型的 138，其中低8位和byte的-118完全一致。

顺带聊一下 原码、反码和补码。

①、原码
原码就是符号位加上真值的绝对值，即用第一位表示符号，其余位表示值。比如如果是8位二进制:

[+1]原 = 0000 0001[-1]原 = 1000 0001

第一位是符号位。因为第一位是符号位，所以8位二进制数的取值范围就是：

[1111 1111 , 0111 1111]

即
[-127 , 127]

②、反码

反码的表示方法是：

正数的反码是其本身
负数的反码是在其原码的基础上，符号位不变，其余各个位取反。
例如：

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反

可见如果一个反码表示的是负数，人脑无法直观的看出来它的数值。通常要将其转换成原码再计算。

③、补码

补码的表示方法是：

正数的补码就是其本身
负数的补码是在其原码的基础上，符号位不变，其余各位取反，最后+1。(即在反码的基础上+1)

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补

对于负数，补码表示方式也是人脑无法直观看出其数值的。通常也需要转换成原码在计算其数值。

从上面可以看到：

对于正数：原码，反码，补码都是一样的
对于负数：原码，反码，补码都是不一样的

2、字符缓冲流

BufferedReader 类继承自 Reader 类，提供了一些便捷的方法，例如 readLine() 方法可以一次读取一行数据，而不是一个字符一个字符地读取。

BufferedWriter 类继承自 Writer 类，提供了一些便捷的方法，例如 newLine() 方法可以写入一个系统特定的行分隔符。

2.1构造方法

BufferedReader(Reader in) ：创建一个新的缓冲输入流，注意参数类型为Reader。
BufferedWriter(Writer out)： 创建一个新的缓冲输出流，注意参数类型为Writer。
代码示例如下：

// 创建字符缓冲输入流
BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("b.txt"));
// 创建字符缓冲输出流
BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("b.txt"));

2.2字符缓冲流特有方法

字符缓冲流的基本方法与普通字符流调用方式一致，这里不再赘述，我们来看字符缓冲流特有的方法。

BufferedReader：String readLine(): 读一行数据，读取到最后返回 null
BufferedWriter：newLine(): 换行，由系统定义换行符。
来看 readLine()方法的代码示例：

// 创建流对象
BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("a.txt"));
// 定义字符串,保存读取的一行文字
String line  = null;
// 循环读取,读取到最后返回null
while ((line = br.readLine())!=null) {System.out.print(line);System.out.println("------");
}
// 释放资源
br.close();

再来看 newLine() 方法的代码示例：

// 创建流对象
BfferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("b.txt"));
// 写出数据
bw.write("追");
// 写出换行
bw.newLine();
bw.write("风");
bw.newLine();
bw.write("少");
bw.newLine();
bw.write("年");
bw.newLine();
// 释放资源
bw.close();

3、练习

来欣赏一下我写的这篇诗：

6.岑夫子，丹丘生，将进酒，杯莫停。
1.君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回。
8.钟鼓馔玉不足贵，但愿长醉不愿醒。
3.人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。
5.烹羊宰牛且为乐，会须一饮三百杯。
2.君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。
7.与君歌一曲，请君为我倾耳听。
4.天生我材必有用，千金散尽还复来。

欣赏完了没？
估计你也看出来了，这是李白写的《将进酒》，不是我写的。😝
不过，顺序是乱的，还好，我都编了号。那如何才能按照正确的顺序来呢？
来看代码实现：

// 创建map集合,保存文本数据,键为序号,值为文字
HashMap<String, String> lineMap = new HashMap<>();// 创建流对象  源
BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("logs/test.log"));
//目标
BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("logs/test1.txt"));// 读取数据
String line;
while ((line = br.readLine())!=null) {// 解析文本if (line.isEmpty()) {continue;}String[] split = line.split(Pattern.quote("."));// 保存到集合lineMap.put(split[0], split[1]);
}
// 释放资源
br.close();// 遍历map集合
for (int i = 1; i <= lineMap.size(); i++) {String key = String.valueOf(i);// 获取map中文本String value = lineMap.get(key);// 写出拼接文本bw.write(key+"."+value);// 写出换行bw.newLine();
}
// 释放资源
bw.close();

来看输出结果:

1.君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回。
2.君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。
3.人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。
4.天生我材必有用，千金散尽还复来。
5.烹羊宰牛且为乐，会须一饮三百杯。
6.岑夫子，丹丘生，将进酒，杯莫停。
7.与君歌一曲，请君为我倾耳听。
8.钟鼓馔玉不足贵，但愿长醉不愿醒。

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