Java IO设计模式彻底分析（转载）

一、引子(概括地介绍Java的IO)

　　无论是哪种编程语言，输入跟输出都是重要的一部分，Java也不例外，而且Java将输入／输出的功能和使用范畴做了很大的扩充。它采用了流的机制来实现输入／输出，所谓流，就是数据的有序排列，而流可以是从某个源(称为流源或Source of Stream)出来，到某个目的地(称为流汇或Sink of Stream)去的。由流的方向，可以分成输入流和输出流，一个程序从输入流读取数据向输出流写数据。

　　如，一个程序可以用FileInputStream类从一个磁盘文件读取数据，如下图所示：

　　像FileInputStream这样的处理器叫做流处理器，它就像流的管道一样，从一个流源吸入某种类型的数据，并输出某种类型的数据。上面这种示意图叫做流的管道图。

　　同样道理，也可以用FileOutputStream类向一个磁盘文件写数据，如下图所示：

从Decorator，Adapter模式看Java/IO库（一）

　　在实际应用这种机制并不没有太大的用处，程序需要写出的通常是非常结构化的信息，因此这些byte类型的数据实际上是一些数值，文字，源代码等。Java的I/O库提供了一个称做链接(Chaining)的机制，可以将一个流处理器跟另一个流处理器首尾相接，以其中之一的输出为输入，形成一个流管道的链接。

　　例如，DataInputStream流处理器可以把FileInputStream流对象的输出当作输入，将Byte类型的数据转换成Java的原始类型和String类型的数据。如下图所示：

从Decorator，Adapter模式看Java/IO库（一）

　　类似地，向一个文件写入Byte类型的数据不是一个简单的过程。一个程序需要向一个文件里写入的数据往往都是结构化的，而Byte类型则是原始类型。因此在写的时候必须经过转换。DataOutputStream流处理器提供了接收了原始数据类型和String数据类型，而这个流处理器的输出数据则是Byte类型。也就是说DataOutputStream可以将源数据转换成Byte类型的数据，再输出来。

　　这样一来，就可以将DataOutputStream与FileOutputStream链接起来，这样程序就可以将原始数据类型和String类型的源数据写入这个链接好的双重管道里面，达到将结构化数据写到磁盘文件里面的目的，如下图所示：

从Decorator，Adapter模式看Java/IO库（一）

　　这又是链接的所发挥的大作用。

　　流处理器所处理的流必定都有流源，而如果将流类所处理的流源分类的话，基本可以分成两大类：

　　原始流源：数组，String，File等

　　链接流源：同样类型的流用做链接流类的流源

二　Java I/O库的设计原则

　　Java语言的I/O库是对各种常见的流源，流汇以及处理过程的抽象化。客户端的Java程序不必知道最终的流源，流汇是磁盘上的文件还是数组等;也不必关心数据是否经过缓冲的，可否按照行号读取等处理的细节。

　　书中提到了，对于第一次见到Java/IO库的人，无不因为这个库的庞杂而感到困惑;而对于熟悉这个库的人，而又常常为这个库的设计是否得当而争论不体。书的作者提出自己的意见，要理解Java I/O这个庞大而复杂的库，关键是要掌握两个对称性跟两个设计模式模式。

　　Java I/O库具有两个对称性，它们分别是：

　　输入－输出对称性：比如InputStream和OutputStream各自占据Byte流的输入与输出的两个平行的等级结构的根部。而Reader和Writer各自占据Char流的输入与输出的两个平行的等级结构的根部。

　　byte-char对称：InputStream和Reader的子类分别负责Byte和Char流的输入;OutputStream和Writer的子类分别负责Byte和Char流的输出，它们分别形成平行的等级结构。

　　Java I/O库的两个设计模式：

　　Java的I/O库总体设计是符合装饰者模式(Decorator)跟适配器模式(Adapter)的。如前所述，这个库中处理流的类叫做流类。引子里所谈到的FileInputStream，FileOutputStream，DataInputStream及 DataOutputStream都是流处理器的例子。

　　装饰者模式：在由InputStream，OutputStream，Reader和Writer代表的等级结构内部，有一些流处理器可以对另一些流处理器起到装饰作用，形成新的、功能改善的流处理器。装饰者模式是Java I/O库的整体设计模式。这样的一个原则是符合装饰者模式的，如下图所示：

从Decorator，Adapter模式看Java/IO库（一）

适配器模式：在由InputStream，OutputStream，Reader和Writer代表的等级结构内部，有一些流处理器是对其它类型的流源的适配。这就是适配器模式的应用，如下图所示。

从Decorator，Adapter模式看Java/IO库（一）

　　适配器模式应用到了原始流处理器的设计上面，构成了I/O库所有流处理器的起点。

　　JDK为程序员提供了大量的类库，而为了保持类库的可重用性，可扩展性和灵活性，其中使用到了大量的设计模式，本文将介绍JDK的I/O包中使用到的Decorator模式，并运用此模式，实现一个新的输出流类。

适配器类图如下：

再看下源代码：

Public class FileInputStream extends InputStream{
 /* File Descriptor - handle to the open file */
　 private FileDescriptor fd;
　 public FileInputStream(FileDescriptor fdObj) {
　　 SecurityManager security = System.getSecurityManager();
　　 if (fdObj == null) {
 throw new NullPointerException();
 }
 if (security != null) {
 security.checkRead(fdObj);
 }
 fd = fdObj;
 }
 public FileInputStream(File file) throws FileNotFoundException {
 String name = file.getPath();
 SecurityManager security = System.getSecurityManager();
 if (security != null) {
 security.checkRead(name);
 }
 fd = new FileDescriptor();
 open(name);
 }
 //其它代码
 ｝

我的理解：

它继承了InputStrem类型，同时持有一个对FileDiscriptor的引用，是将一个FileDiscriptor对象适配成InputStrem类型的对象形式的适配器模式。

三、Decorator模式简介

　　Decorator模式又名包装器(Wrapper)，它的主要用途在于给一个对象动态的添加一些额外的职责。与生成子类相比，它更具有灵活性。

　　有时候，我们需要为一个对象而不是整个类添加一些新的功能，比如，给一个文本区添加一个滚动条的功能。我们可以使用继承机制来实现这一功能，但是这种方法不够灵活，我们无法控制文本区加滚动条的方式和时机。而且当文本区需要添加更多的功能时，比如边框等，需要创建新的类，而当需要组合使用这些功能时无疑将会引起类的爆炸。

　　我们可以使用一种更为灵活的方法，就是把滚动条嵌入到文本区中。而这个滚动条的类就相当于对文本区的一个装饰。这个装饰(滚动条)必须与被装饰的组件(文本区)继承自同一个抽象类，这样，用户就不必关心装饰的实现，因为这对他们来说是透明的。装饰会将用户的请求转发给相应的组件(即调用相关的方法)，并可能在转发的前后做一些额外的动作(如添加滚动条)。通过这种方法，我们可以根据组合对文本区嵌套不同的装饰，从而添加任意多的功能。这种动态的对对象添加功能的方法不会引起类的爆炸，也具有了更多的灵活性。

　　以上的方法就是Decorator模式，它通过给对象添加装饰来动态的添加新的功能。如下是Decorator模式的UML图：

从Decorator，Adapter模式看Java/IO库（二）

Component为具体组件类和装饰类的公共父类，它定义了子类必须实现的方法。

　　ConcreteComponent是一个具体的组件类，可以通过给它添加装饰来增加新的功能。

　　Decorator是所有装饰的公共父类，它定义了所有装饰必须实现的方法，同时，它还保存了一个对于Component的引用，以便将用户的请求转发给Component，并可能在转发请求前后执行一些附加的动作。

　　ConcreteDecoratorA和ConcreteDecoratorB是具体的装饰，可以使用它们来装饰具体的Component.

我的理解：

上图中的抽象链接流是一个Decorator，它不真正的装饰，它只提供接口，让它的子类去装饰。相当于上图中的具体链接流去装饰原始流。

3.1 JAVA IO包中的Decorator模式

　　JDK提供的java.io包中使用了Decorator模式来实现对各种输入输出流的封装。以下将以java.io.OutputStream及其子类为例，讨论一下Decorator模式在IO中的使用。

　　首先来看一段用来创建IO流的代码：

　　以下是代码片段：

　try {
　　    OutputStream out = new DataOutputStream(new FileOutputStream("test.txt"));
　　} catch (FileNotFoundException e) {
　　e.printStackTrace();
　　}

　　这段代码对于使用过JAVA输入输出流的人来说再熟悉不过了，我们使用DataOutputStream封装了一个 FileOutputStream.这是一个典型的Decorator模式的使用，FileOutputStream相当于具体的Component，DataOutputStream就是一个Decorator.将代码改成如下，将会更容易理解：

　　以下是代码片段：

try {
　　OutputStream out = new FileOutputStream("test.txt");
　　out = new DataOutputStream(out);
　　} catch(FileNotFoundException e) {
　　e.printStatckTrace();
　　}

　　由于FileOutputStream和DataOutputStream有公共的父类OutputStream，因此对对象的装饰对于用户来说几乎是透明的。下面就来看看OutputStream及其子类是如何构成Decorator模式的：

　　OutputStream是一个抽象类，它是所有输出流的公共父类，其源代码如下：

　　以下是代码片段：

public abstract class OutputStream implements Closeable， Flushable {

　　public abstract void write(int b) throws IOException;

　　……

　　}

　　它定义了write(int b)的抽象方法。这相当于Decorator模式中的Component类。

　　ByteArrayOutputStream，FileOutputStream 和 PipedOutputStream 三个类都直接从OutputStream继承，以ByteArrayOutputStream为例：

　　以下是代码片段：

public class ByteArrayOutputStream extends OutputStream {

　　protected byte buf[];
　　protected int count;

　　public ByteArrayOutputStream() {
　　this(32);
　　}

　　public ByteArrayOutputStream(int size) {
　　if (size 〈 0) {
　　throw new IllegalArgumentException("Negative initial size： "
　　+ size);
　　}
　　buf = new byte[size];
　　}

　　public synchronized void write(int b) {
　　int newcount = count + 1;
　　if (newcount 〉 buf.length) {
　　byte newbuf[] = new byte[Math.max(buf.length 〈〈 1， newcount)];
　　System.arraycopy(buf, 0, newbuf, 0, count);
　　buf = newbuf;
　　}
　　buf[count] = (byte)b;
　　count = newcount;　　}

　　……

　　}

　　它实现了OutputStream中的write(int b)方法，因此我们可以用来创建输出流的对象，并完成特定格式的输出。它相当于Decorator模式中的ConcreteComponent类。

　　接着来看一下FilterOutputStream，代码如下：

　　以下是代码片段：

public class FilterOutputStream extends OutputStream {
　　protected OutputStream out;

　　public FilterOutputStream (OutputStream out) {
　　this.out = out;
　　}

　　public void write(int b) throws IOException {
　　out.write(b);
　　}

　　……

　　}

　　同样，它也是从OutputStream继承。但是，它的构造函数很特别，需要传递一个OutputStream的引用给它，并且它将保存对此对象的引用。而如果没有具体的OutputStream对象存在，我们将无法创建FilterOutputStream.由于out既可以是指向 FilterOutputStream类型的引用，也可以是指向ByteArrayOutputStream等具体输出流类的引用，因此使用多层嵌套的方式，我们可以为ByteArrayOutputStream添加多种装饰。这个FilterOutputStream类相当于Decorator模式中的 Decorator类，它的write(int b)方法只是简单的调用了传入的流的write(int b)方法，而没有做更多的处理，因此它本质上没有对流进行装饰，所以继承它的子类必须覆盖此方法，以达到装饰的目的。

　　BufferedOutputStream 和 DataOutputStream是FilterOutputStream的两个子类，它们相当于Decorator模式中的 ConcreteDecorator，并对传入的输出流做了不同的装饰。以BufferedOutputStream类为例：

　　以下是代码片段：

public class BufferedOutputStream extends FilterOutputStream {
　　……

　　private void flushBuffer() throws IOException {
　　if (count 〉 0) {
　　out.write(buf， 0， count);
　　count = 0;
　　}
　　}

　　public synchronized void write(int b) throws IOException {
　　if (count 〉= buf.length) {
　　flushBuffer();　　}
　　buf[count++] = (byte)b;
　　}

　　……

　　}

　　这个类提供了一个缓存机制，等到缓存的容量达到一定的字节数时才写入输出流。首先它继承了FilterOutputStream，并且覆盖了父类的write(int b)方法，在调用输出流写出数据前都会检查缓存是否已满，如果未满，则不写。这样就实现了对输出流对象动态的添加新功能的目的。

　　下面，将使用Decorator模式，为IO写一个新的输出流。

3.2 自己写一个新的输出流

　　了解了OutputStream及其子类的结构原理后，我们可以写一个新的输出流，来添加新的功能。这部分中将给出一个新的输出流的例子，它将过滤待输出语句中的空格符号。比如需要输出"java io OutputStream"，则过滤后的输出为"javaioOutputStream".以下为SkipSpaceOutputStream类的代码：

　　以下是代码片段：

package Test;

import java.io.FilterOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;

/**
 * 　　* A new output stream， which will check the space character 　　* and won't
 * write it to the output stream. 　　* As a concrete Decorator,
 * SkipSpaceOutputStream extends Decorator Component FilterOuputSteam. 　　
 */
public class SkipSpaceOutputStream extends FilterOutputStream {
    public SkipSpaceOutputStream(OutputStream out) {
        super(out);

    }

    /**
     * Rewrite the method in the parent class， and 
     * skip the space character. 　
     */

    public void write(int b) throws IOException {
        if (b != ' ') {
            super.write(b);
        }
    }


}

　　它从FilterOutputStream继承，并且重写了它的write(int b)方法。在write(int b)方法中首先对输入字符进行了检查，如果不是空格，则输出。

　　以下是一个测试程序：

　　以下是代码片段：

package Test;


import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;

public class Test { 
    public static void main(String[] args) { 
  
        byte[] buffer=new byte[1024];
        InputStream in=new BufferedInputStream(System.in);
        OutputStream out=new SkipSpaceOutputStream(new DataOutputStream(System.out));
    
        System.out.println("Please input you words:");
        
        try {
            int n=in.read(buffer, 0, buffer.length);
            for(int i=0;i<n;i++){
                out.write(buffer[i]);
            }
        } catch (IOException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
   }

　　执行以上测试程序，将要求用户在console窗口中输入信息，程序将过滤掉信息中的空格，并将最后的结果输出到console窗口。比如：

　　以下是引用片段：

　　Please input your words：

　　a b c d e f

　　abcdef

四、InputStream/OutputStream、Reader/Writer的层级及对称关系

下面的几个图展示了InputStream/OutputStream、Reader/Writer的层级及对称关系，对照这几张图，可以快速的回忆Java IO模式，并能在具体的应用合理使用各个类。

4.1 字节流的输入输出对应关系

4.2 字符流的输入输出对应关系

4.3 字节流和字符的输入对应关系

4.4 字节流和字符的输入对应关系

总结:

　　在java.io包中，不仅OutputStream用到了Decorator设计模式，InputStream，Reader，Writer 等都用到了此模式。而作为一个灵活的，可扩展的类库，JDK中使用了大量的设计模式，比如在Swing包中的MVC模式，RMI中的Proxy模式等等。对于JDK中模式的研究不仅能加深对于模式的理解，而且还有利于更透彻的了解类库的结构和组成。