一、IO流介绍
1、IO是指Input/Output，即输入和输出。以内存为中心：
-
Input指从外部读入数据到内存，例如，把文件从磁盘读取到内存，从网络读取数据到内存等等。
-
Output指把数据从内存输出到外部，例如，把数据从内存写入到文件，把数据从内存输出到网络等等。
为什么要把数据读到内存才能处理这些数据？因为代码是在内存中运行的，数据也必须读到内存，最终的表示方式无非是byte数组，字符串等，都必须存放在内存里。
2、IO流是一种顺序读写数据的模式，它的特点是单向流动。数据类似自来水一样在水管中流动，所以我们把它称为IO流。
3、字节流 —— InputStream/OutputStream
IO流以byte（字节）为最小单位，因此也称为字节流。例如，我们要从磁盘读入一个文件，包含6个字节，就相当于读入了6个字节的数据：
╔════════════╗
║ Memory ║
╚════════════╝
▲
│0x48
│0x65
│0x6c
│0x6c
│0x6f
│0x21
╔═══════════╗
║ Hard Disk ║
╚═══════════╝这6个字节是按顺序读入的，所以是输入字节流 —— InputStream。
反过来，我们把6个字节从内存写入磁盘文件，就是输出字节流 —— OutputStream。
在Java中，InputStream代表输入字节流，OuputStream代表输出字节流，这是最基本的两种IO流。
4、字符流 —— Reader / Writer
如果我们需要读写的是字符，并且字符不全是单字节表示的ASCII字符，那么按照char来读写显然更方便，这种流称为字符流。
Java提供了Reader和Writer表示字符流，字符流传输的最小数据单位是char。
我们把char[]数组Hi你好这4个字符用Writer字符流写入文件，并且使用UTF-8编码，得到的最终文件内容是8个字节，英文字符H和i各占一个字节，中文字符你好各占3个字节；反过来，我们用Reader读取以UTF-8编码的这8个字节，会从Reader中得到Hi你好这4个字符。
5、因此，Reader和Writer本质上是一个能自动编解码的InputStream和OutputStream。
使用Reader，数据源虽然是字节，但我们读入的数据都是char类型的字符，原因是Reader内部把读入的byte做了解码，转换成了char。
使用InputStream，我们读入的数据和原始二进制数据一模一样，是byte[]数组，但是我们可以自己把二进制byte[]数组按照某种编码转换为字符串。
究竟使用Reader还是InputStream，要取决于具体的使用场景。如果数据源不是文本，就只能使用InputStream，如果数据源是文本，使用Reader更方便一些。
Writer和OutputStream是类似的。
6、同步和异步IO：
同步IO是指，读写IO时代码必须等待数据返回后才继续执行后续代码，它的优点是代码编写简单，缺点是CPU执行效率低。
而异步IO是指，读写IO时仅发出请求，然后立刻执行后续代码，它的优点是CPU执行效率高，缺点是代码编写复杂。
7、Java标准库的包java.io提供了同步IO，而java.nio则是异步IO。上面我们讨论的InputStream、OutputStream、Reader和Writer都是同步IO的抽象类，对应的具体实现类，以文件为例，有FileInputStream、FileOutputStream、FileReader和FileWriter。
8、小结：
IO流是一种流式的数据输入/输出模型：
-
二进制数据以
byte为最小单位在InputStream/OutputStream中单向流动； -
字符数据以
char为最小单位在Reader/Writer中单向流动。
Java标准库的java.io包提供了同步IO功能：
-
字节流接口：
InputStream/OutputStream； -
字符流接口：
Reader/Writer。
二、File对象
1、计算机系统中，文件是非常重要的存储方式。Java的标准库java.io提供了File对象来操作文件和目录。 要构造一个File对象，需要传入文件路径。
2、需要注意的是：因为Windows和Linux的路径分隔符不同，所以File对象提供了一个静态变量用于表示当前平台的系统分隔符
System.out.println(File.separator);
// 根据当前平台打印""或"/"
// 使用提供的系统分隔符可以避免一些跨平台导致的错误，这个以前就遇到过
3、Java标准库的java.io.File对象表示一个文件或者目录：
- 创建
File对象本身不涉及IO操作； - 可以获取路径／绝对路径／规范路径：
getPath()/getAbsolutePath()/getCanonicalPath()； - 可以获取目录的文件和子目录：
list()/listFiles()； - 可以创建或删除文件和目录：
createNewFile()/delete() - 用
File对象获取到一个文件时，还可以进一步判断文件的权限和大小：boolean canRead()：是否可读；boolean canWrite()：是否可写；boolean canExecute()：是否可执行；long length()：文件字节大小 - 调用
isFile()，判断该File对象是否是一个已存在的文件，调用isDirectory()，判断该File对象是否是一个已存在的目录
4、Path：Java标准库还提供了一个Path对象，它位于java.nio.file包。Path对象和File对象类似，但操作更加简单。如果需要对目录进行复杂的拼接、遍历等操作，使用Path对象更方便。
三、InputStream
1、InputStream并不是一个接口，而是一个抽象类，它是所有输入流的超类。这个抽象类定义的一个最重要的方法就是int read()：这个方法会读取输入流的下一个字节，并返回字节表示的int值（0~255）。如果已读到末尾，返回-1表示不能继续读取了
2、FileInputStream是InputStream的一个子类。FileInputStream就是从文件流中读取数据。
3、在计算机中，类似文件、网络端口这些资源，都是由操作系统统一管理的。应用程序在运行的过程中，如果打开了一个文件进行读写，完成后要及时地关闭，以便让操作系统把资源释放掉，否则，应用程序占用的资源会越来越多，不但白白占用内存，还会影响其他应用程序的运行。
InputStream和OutputStream都是通过close()方法来关闭流。关闭流就会释放对应的底层资源。
4、在读取或写入IO流的过程中，可能会发生错误，例如，文件不存在导致无法读取，没有写权限导致写入失败，等等，这些底层错误由Java虚拟机自动封装成IOException异常并抛出。因此，所有与IO操作相关的代码都必须正确处理IOException。
5、如果读取过程中发生了IO错误，InputStream就没法正确地关闭，资源也就没法及时释放。 因此，我们需要用try ... finally来保证InputStream在无论是否发生IO错误的时候都能够正确地关闭。
public void readFile() throws IOException {
InputStream input = null;
try {
input = new FileInputStream("src/readme.txt");
int n;
while ((n = input.read()) != -1) { // 利用while同时读取并判断
System.out.println(n);
}
} finally {
if (input != null) { input.close(); }
}
}
用try ... finally来编写上述代码会感觉比较复杂，更好的写法是利用Java 7引入的新的try(resource)的语法，只需要编写try语句，让编译器自动为我们关闭资源。推荐的写法如下：
public void readFile() throws IOException {
try (InputStream input = new FileInputStream("src/readme.txt")) {
int n;
while ((n = input.read()) != -1) {
System.out.println(n);
}
} // 编译器在此自动为我们写入finally并调用close()
}
实际上，编译器并不会特别地为InputStream加上自动关闭。编译器只看try(resource = ...)中的对象是否实现了java.lang.AutoCloseable接口，如果实现了，就自动加上finally语句并调用close()方法。InputStream和OutputStream都实现了这个接口，因此，都可以用在try(resource)中。
6、缓冲区
在读取流的时候，一次读取一个字节并不是最高效的方法。很多流支持一次性读取多个字节到缓冲区，对于文件和网络流来说，利用缓冲区一次性读取多个字节效率往往要高很多。InputStream提供了两个重载方法来支持读取多个字节：
int read(byte[] b)：读取若干字节并填充到byte[]数组，返回读取的字节数int read(byte[] b, int off, int len)：指定byte[]数组的偏移量和最大填充数
利用上述方法一次读取多个字节时，需要先定义一个byte[]数组作为缓冲区，read()方法会尽可能多地读取字节到缓冲区， 但不会超过缓冲区的大小。read()方法的返回值不再是字节的int值，而是返回实际读取了多少个字节。如果返回-1，表示没有更多的数据了。
7、阻塞：在调用InputStream的read()方法读取数据时，我们说read()方法是阻塞（Blocking）的。它的意思是，对于下面的代码：
int n;
n = input.read(); // 必须等待read()方法返回才能执行下一行代码
int m = n;
执行到第二行代码时，必须等read()方法返回后才能继续。因为读取IO流相比执行普通代码，速度会慢很多，因此，无法确定read()方法调用到底要花费多长时间。
四、OutputStream
1、和InputStream相反，OutputStream是Java标准库提供的最基本的输出流。和InputStream类似，OutputStream也是抽象类，它是所有输出流的超类。这个抽象类定义的一个最重要的方法就是void write(int b)，这个方法会写入一个字节到输出流。要注意的是，虽然传入的是int参数，但只会写入一个字节，即只写入int最低8位表示字节的部分（相当于b & 0xff）。
和InputStream类似，OutputStream也提供了close()方法关闭输出流，以便释放系统资源。
要特别注意：OutputStream还提供了一个flush()方法，它的目的是将缓冲区的内容真正输出到目的地。
2、为什么要有flush()？因为向磁盘、网络写入数据的时候，出于效率的考虑，操作系统并不是输出一个字节就立刻写入到文件或者发送到网络，而是把输出的字节先放到内存的一个缓冲区里（本质上就是一个byte[]数组），等到缓冲区写满了，再一次性写入文件或者网络。对于很多IO设备来说，一次写一个字节和一次写1000个字节，花费的时间几乎是完全一样的，所以OutputStream有个flush()方法，能强制把缓冲区内容输出。
3、通常情况下，我们不需要调用这个flush()方法，因为缓冲区写满了OutputStream会自动调用它，并且，在调用close()方法关闭OutputStream之前，也会自动调用flush()方法。但是，在某些情况下，我们必须手动调用flush()方法。举个栗子：
小明正在开发一款在线聊天软件，当用户输入一句话后，就通过OutputStream的write()方法写入网络流。小明测试的时候发现，发送方输入后，接收方根本收不到任何信息，怎么肥四？原因就在于写入网络流是先写入内存缓冲区，等缓冲区满了才会一次性发送到网络。如果缓冲区大小是4K，则发送方要敲几千个字符后，操作系统才会把缓冲区的内容发送出去，这个时候，接收方会一次性收到大量消息。
解决办法就是每输入一句话后，立刻调用flush()，不管当前缓冲区是否已满，强迫操作系统把缓冲区的内容立刻发送出去。
4、Java标准库的java.io.OutputStream定义了所有输出流的超类：
-
FileOutputStream实现了文件流输出； -
ByteArrayOutputStream在内存中模拟一个字节流输出。
某些情况下需要手动调用OutputStream的flush()方法来强制输出缓冲区。
总是使用try(resource)来保证OutputStream正确关闭。
五、Filter模式
1、通过一个“基础”组件再叠加各种“附加”功能组件的模式，称之为Filter模式（或者装饰器模式：Decorator）。它可以让我们通过少量的类来实现各种功能的组合
┌─────────────┐
│ InputStream │
└─────────────┘
▲ ▲
┌────────────────────┐ │ │ ┌─────────────────┐
│ FileInputStream │─┤ └─│FilterInputStream│
└────────────────────┘ │ └─────────────────┘
┌────────────────────┐ │ ▲ ┌───────────────────┐
│ByteArrayInputStream│─┤ ├─│BufferedInputStream│
└────────────────────┘ │ │ └───────────────────┘
┌────────────────────┐ │ │ ┌───────────────────┐
│ ServletInputStream │─┘ ├─│ DataInputStream │
└────────────────────┘ │ └───────────────────┘
│ ┌───────────────────┐
└─│CheckedInputStream │
└───────────────────┘2、Java的IO标准库使用Filter模式为InputStream和OutputStream增加功能：
-
可以把一个
InputStream和任意个FilterInputStream组合； -
可以把一个
OutputStream和任意个FilterOutputStream组合。
Filter模式可以在运行期动态增加功能（又称Decorator模式）。
六、操作ZIP
1、ZipInputStream是一种FilterInputStream，它可以直接读取zip包的内容。
┌───────────────────┐
│ InputStream │
└───────────────────┘
▲
│
┌───────────────────┐
│ FilterInputStream │
└───────────────────┘
▲
│
┌───────────────────┐
│InflaterInputStream│
└───────────────────┘
▲
│
┌───────────────────┐
│ ZipInputStream │
└───────────────────┘
▲
│
┌───────────────────┐
│ JarInputStream │
└───────────────────┘2、另一个JarInputStream是从ZipInputStream派生，它增加的主要功能是直接读取jar文件里面的MANIFEST.MF文件。因为本质上jar包就是zip包，只是额外附加了一些固定的描述文件。
3、ZipInputStream可以读取zip格式的流，ZipOutputStream可以把多份数据写入zip包；配合FileInputStream和FileOutputStream就可以读写zip文件。
七、读取classpath资源
1、很多Java程序启动的时候，都需要读取配置文件。但是，从磁盘的固定目录读取配置文件，不是一个好的办法。有没有路径无关的读取文件的方式呢？
2、Java存放.class的目录或jar包也可以包含任意其他类型的文件，例如：
- 配置文件，例如
.properties； - 图片文件，例如
.jpg； - 文本文件，例如
.txt，.csv； - ……
因此，从classpath读取文件就可以避免不同环境下文件路径不一致的问题：如果我们把default.properties文件放到classpath中，就不用关心它的实际存放路径。
3、在classpath中的资源文件，路径总是以／开头，我们先获取当前的Class对象，然后调用getResourceAsStream()就可以直接从classpath读取任意的资源文件：
try (InputStream input = getClass().getResourceAsStream("/default.properties")) {
// TODO:
}
调用getResourceAsStream()需要特别注意的一点是，如果资源文件不存在，它将返回null。因此，我们需要检查返回的InputStream是否为null，如果为null，表示资源文件在classpath中没有找到。
4、如果我们把默认的配置放到jar包中，再从外部文件系统读取一个可选的配置文件，就可以做到既有默认的配置文件，又可以让用户自己修改配置：
Properties props = new Properties();
props.load(inputStreamFromClassPath("/default.properties"));
props.load(inputStreamFromFile("./conf.properties"));
这样读取配置文件，应用程序启动就更加灵活。
5、小结：
把资源存储在classpath中可以避免文件路径依赖；
Class对象的getResourceAsStream()可以从classpath中读取指定资源；
根据classpath读取资源时，需要检查返回的InputStream是否为null。
八、序列化
1、序列化是指把一个Java对象变成二进制内容，本质上就是一个byte[]数组。
2、为什么要把Java对象序列化呢？因为序列化后可以把byte[]保存到文件中，或者把byte[]通过网络传输到远程，这样，就相当于把Java对象存储到文件或者通过网络传输出去了。
3、有序列化，就有反序列化，即把一个二进制内容（也就是byte[]数组）变回Java对象。
4、有了反序列化，保存到文件中的byte[]数组又可以“变回”Java对象，或者从网络上读取byte[]并把它“变回”Java对象。
5、如何把一个Java对象序列化：
（1）必须实现一个特殊的java.io.Serializable接口：public interface Serializable { }，Serializable接口没有定义任何方法，它是一个空接口。我们把这样的空接口称为“标记接口”（Marker Interface），实现了标记接口的类仅仅是给自身贴了个“标记”，并没有增加任何方法。
（2）把一个Java对象变为byte[]数组，需要使用ObjectOutputStream。它负责把一个Java对象写入一个字节流
public class Main {
public static void main(String[] args) throws IOException {
ByteArrayOutputStream buffer = new ByteArrayOutputStream();
try (ObjectOutputStream output = new ObjectOutputStream(buffer)) {
// 写入int:
output.writeInt(12345);
// 写入String:
output.writeUTF("Hello");
// 写入Object:
output.writeObject(Double.valueOf(123.456));
}
System.out.println(Arrays.toString(buffer.toByteArray()));
}
}
6、反序列化 - 和ObjectOutputStream相反，ObjectInputStream负责从一个字节流读取Java对象
try (ObjectInputStream input = new ObjectInputStream(...)) {
int n = input.readInt();
String s = input.readUTF();
Double d = (Double) input.readObject();
}
7、安全性
因为Java的序列化机制可以导致一个实例能直接从byte[]数组创建，而不经过构造方法，因此，它存在一定的安全隐患。一个精心构造的byte[]数组被反序列化后可以执行特定的Java代码，从而导致严重的安全漏洞。
实际上，Java本身提供的基于对象的序列化和反序列化机制既存在安全性问题，也存在兼容性问题。更好的序列化方法是通过JSON这样的通用数据结构来实现，只输出基本类型（包括String）的内容，而不存储任何与代码相关的信息。
8、小结：
可序列化的Java对象必须实现java.io.Serializable接口，类似Serializable这样的空接口被称为“标记接口”（Marker Interface）；
反序列化时不调用构造方法，可设置serialVersionUID作为版本号（非必需）；
Java的序列化机制仅适用于Java，并且存在安全隐患，如果需要与其它语言交换数据，必须使用通用的序列化方法，例如JSON。
九、Reader
1、Reader是Java的IO库提供的另一个输入流接口。和InputStream的区别是，InputStream是一个字节流，即以byte为单位读取，而Reader是一个字符流，即以char为单位读取：
| InputStream | Reader |
|---|---|
字节流，以byte为单位 |
字符流，以char为单位 |
读取字节（-1，0~255）：int read() |
读取字符（-1，0~65535）：int read() |
读到字节数组：int read(byte[] b) |
读到字符数组：int read(char[] c) |
2、FileReader是Reader的一个子类，它可以打开文件并获取Reader。
3、如果我们读取一个文本文件，如果文件中包含中文，就会出现乱码，因为FileReader默认的编码与系统相关，例如，Windows系统的默认编码可能是GBK，打开一个UTF-8编码的文本文件就会出现乱码。要避免乱码问题，我们需要在创建FileReader时指定编码：
Reader reader = new FileReader("src/readme.txt", StandardCharsets.UTF_8);
4、和InputStream类似，Reader也是一种资源，需要保证出错的时候也能正确关闭，所以我们需要用try (resource)来保证Reader在无论有没有IO错误的时候都能够正确地关闭。
5、也有缓冲区，也阻塞
6、Reader和InputStream有什么关系？
除了特殊的CharArrayReader和StringReader，普通的Reader实际上是基于InputStream构造的，因为Reader需要从InputStream中读入字节流（byte），然后，根据编码设置，再转换为char就可以实现字符流。如果我们查看FileReader的源码，它在内部实际上持有一个FileInputStream。
7、既然Reader本质上是一个基于InputStream的byte到char的转换器，那么，如果我们已经有一个InputStream，想把它转换为Reader，是完全可行的。InputStreamReader就是这样一个转换器，它可以把任何InputStream转换为Reader。
// 持有InputStream:
InputStream input = new FileInputStream("src/readme.txt");
// 变换为Reader:
Reader reader = new InputStreamReader(input, "UTF-8");
8、构造InputStreamReader时，我们需要传入InputStream，还需要指定编码，就可以得到一个Reader对象。
try (Reader reader = new InputStreamReader(new FileInputStream("src/readme.txt"), "UTF-8")) {
// TODO:
}
十、Writer
1、Reader是带编码转换器的InputStream，它把byte转换为char，而Writer就是带编码转换器的OutputStream，它把char转换为byte并输出。
| OutputStream | Writer |
|---|---|
字节流，以byte为单位 |
字符流，以char为单位 |
写入字节（0~255）：void write(int b) |
写入字符（0~65535）：void write(int c) |
写入字节数组：void write(byte[] b) |
写入字符数组：void write(char[] c) |
| 无对应方法 | 写入String：void write(String s) |
2、Writer定义了所有字符输出流的超类：
-
FileWriter实现了文件字符流输出； -
CharArrayWriter和StringWriter在内存中模拟一个字符流输出。
3、使用try (resource)保证Writer正确关闭。
4、Writer是基于OutputStream构造的，可以通过OutputStreamWriter将OutputStream转换为Writer，转换时需要指定编码。
十一、PrintStream和PrintWriter
PrintStream是一种能接收各种数据类型的输出，打印数据时比较方便：
System.out是标准输出；System.err是标准错误输出。
PrintWriter是基于Writer的输出。
十二、使用Files
对于简单的小文件读写操作，可以使用Files工具类简化代码。Java提供了Files和Paths这两个工具类，能极大地方便我们读写文件。
// 我们要把一个文件的全部内容读取为一个byte[]，可以这么写：
byte[] data = Files.readAllBytes(Paths.get("/path/to/file.txt"));
// 如果是文本文件，可以把一个文件的全部内容读取为String：
// 默认使用UTF-8编码读取:
String content1 = Files.readString(Paths.get("/path/to/file.txt"));
// 可指定编码:
String content2 = Files.readString(Paths.get("/path/to/file.txt"), StandardCharsets.ISO_8859_1);
// 按行读取并返回每行内容:
List<String> lines = Files.readAllLines(Paths.get("/path/to/file.txt"));
// 写入文件也非常方便：
// 写入二进制文件:
byte[] data = ...
Files.write(Paths.get("/path/to/file.txt"), data);
// 写入文本并指定编码:
Files.writeString(Paths.get("/path/to/file.txt"), "文本内容...", StandardCharsets.ISO_8859_1);
// 按行写入文本:
List<String> lines = ...
Files.write(Paths.get("/path/to/file.txt"), lines);
此外，Files工具类还有copy()、delete()、exists()、move()等快捷方法操作文件和目录。
需要特别注意的是，Files提供的读写方法，受内存限制，只能读写小文件，例如配置文件等，不可一次读入几个G的大文件。
读写大型文件仍然要使用文件流，每次只读写一部分文件内容。