JavaIO之FileInputStream&FileOutputStream源碼分析

2019-11-14 15:29:22

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供稿：網友

io java FileInputStream FileOutputStream

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一、引子
二、FileInputStream源碼分析
三、FileOutputStream 源碼分析
四、使用案例
五、思考與小結

Writer ：BYSocket（泥沙磚瓦漿木匠）

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Twitter ：BYSocket

一、引子

文件，作為常見的數據源。關于操作文件的字節流就是 — FileInputStream & FileOutputStream。它們是Basic IO字節流中重要的實現類。

二、FileInputStream源碼分析

FileInputStream源碼如下：

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/**
 * FileInputStream 從文件系統的文件中獲取輸入字節流。文件取決于主機系統。
 *  比如讀取圖片等的原始字節流。如果讀取字符流，考慮使用 FiLeReader。
 */
publicclassSFileInputStream extendsInputStream
{
    /* 文件描述符類---此處用于打開文件的句柄 */
    PRivate final FileDescriptor fd;
  
    /* 引用文件的路徑 */
    private final String path;
  
    /* 文件通道，NIO部分 */
    private FileChannel channel = null;
  
    private final Object closeLock = new Object();
    private volatile boolean closed = false;
  
    private static final ThreadLocal<Boolean> runningFinalize =
        new ThreadLocal<>();
  
    private static boolean isRunningFinalize() {
        Boolean val;
        if ((val = runningFinalize.get()) != null)
            return val.booleanValue();
        return false;
    }
  
    /* 通過文件路徑名來創建FileInputStream */
    public FileInputStream(String name) throws FileNotFoundException {
        this(name != null ? new File(name) : null);
    }
  
    /* 通過文件來創建FileInputStream */
    public FileInputStream(File file) throws FileNotFoundException {
        String name = (file != null ? file.getPath() : null);
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        if (security != null) {
            security.checkRead(name);
        }
        if (name == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
        if (file.isInvalid()) {
            throw new FileNotFoundException("Invalid file path");
        }
        fd = new FileDescriptor();
        fd.incrementAndGetUseCount();
        this.path = name;
        open(name);
    }
  
    /* 通過文件描述符類來創建FileInputStream */
    public FileInputStream(FileDescriptor fdObj) {
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        if (fdObj == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
        if (security != null) {
            security.checkRead(fdObj);
        }
        fd = fdObj;
        path = null;
        fd.incrementAndGetUseCount();
    }
  
    /* 打開文件，為了下一步讀取文件內容。native方法 */
    private native void open(String name) throws FileNotFoundException;
  
    /* 從此輸入流中讀取一個數據字節 */
    public int read() throws IOException {
        Object traceContext = IoTrace.fileReadBegin(path);
        int b = 0;
        try {
            b = read0();
        } finally {
            IoTrace.fileReadEnd(traceContext, b == -1 ? 0 : 1);
        }
        return b;
    }
  
    /* 從此輸入流中讀取一個數據字節。native方法 */
    private native int read0() throws IOException;
  
    /* 從此輸入流中讀取多個字節到byte數組中。native方法 */
    private native int readBytes(byte b[], int off, int len) throws IOException;
  
    /* 從此輸入流中讀取多個字節到byte數組中。 */
    public int read(byte b[]) throws IOException {
        Object traceContext = IoTrace.fileReadBegin(path);
        int bytesRead = 0;
        try {
            bytesRead = readBytes(b, 0, b.length);
        } finally {
            IoTrace.fileReadEnd(traceContext, bytesRead == -1 ? 0 : bytesRead);
        }
        return bytesRead;
    }
  
    /* 從此輸入流中讀取最多len個字節到byte數組中。 */
    public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
        Object traceContext = IoTrace.fileReadBegin(path);
        int bytesRead = 0;
        try {
            bytesRead = readBytes(b, off, len);
        } finally {
            IoTrace.fileReadEnd(traceContext, bytesRead == -1 ? 0 : bytesRead);
        }
        return bytesRead;
    }
  
      
    public native long skip(long n) throws IOException;
  
    /* 返回下一次對此輸入流調用的方法可以不受阻塞地從此輸入流讀?。ɑ蛱^）的估計剩余字節數。 */
    public native int available() throws IOException;
  
    /* 關閉此文件輸入流并釋放與此流有關的所有系統資源。 */
    public void close() throws IOException {
        synchronized (closeLock) {
            if (closed) {
                return;
            }
            closed = true;
        }
        if (channel != null) {
           fd.decrementAndGetUseCount();
           channel.close();
        }
  
        int useCount = fd.decrementAndGetUseCount();
  
        if ((useCount <= 0) || !isRunningFinalize()) {
            close0();
        }
    }
  
    public final FileDescriptor getFD() throws IOException {
        if (fd != null) return fd;
        throw new IOException();
    }
  
    /* 獲取此文件輸入流的唯一FileChannel對象 */
    publicFileChannel getChannel() {
        synchronized(this) {
            if(channel == null) {
                channel = FileChannelImpl.open(fd, path, true, false, this);
                fd.incrementAndGetUseCount();
            }
            returnchannel;
        }
    }
  
    privatestaticnativevoidinitIDs();
  
    privatenativevoidclose0() throwsIOException;
  
    static{
        initIDs();
    }
  
    protected void finalize() throws IOException {
        if((fd != null) &&  (fd != FileDescriptor.in)) {
            runningFinalize.set(Boolean.TRUE);
            try{
                close();
            } finally{
                runningFinalize.set(Boolean.FALSE);
            }
        }
    }
}

1. 三個核心方法

三個核心方法，也就是Override（重寫）了抽象類InputStream的read方法。

int read() 方法，即

1	`public` `int` `read()` `throws` `IOException`

代碼實現中很簡單，一個try中調用本地native的read0()方法，直接從文件輸入流中讀取一個字節。IoTrace.fileReadEnd(),字面意思是防止文件沒有關閉讀的通道，導致讀文件失敗，一直開著讀的通道，會造成內存泄露。

int read(byte b[]) 方法，即

1	`public` `int` `read(byte` `b[])` `throws` `IOException`

代碼實現也是比較簡單的，也是一個try中調用本地native的readBytes()方法，直接從文件輸入流中讀取最多b.length個字節到byte數組b中。

int read(byte b[], int off, int len) 方法，即

1	`public` `int` `read(byte` `b[],` `int` `off,` `int` `len)` `throws` `IOException`

代碼實現和 int read(byte b[])方法一樣，直接從文件輸入流中讀取最多len個字節到byte數組b中。

可是這里有個問：
Q：為什么 int read(byte b[]) 方法需要自己獨立實現呢？直接調用 int read(byte b[], int off, int len) 方法，即read(b , 0 , b.length)，等價于read(b)？
A：待完善，希望路過大神回。。。。向下兼容？？ Finally？？

2. 值得一提的native方法

上面核心方法中為什么實現簡單，因為工作量都在native方法里面，即JVM里面實現了。native倒是不少一一列舉吧：

native void open(String name) // 打開文件，為了下一步讀取文件內容
native int read0() // 從文件輸入流中讀取一個字節
native int readBytes(byte b[], int off, int len) // 從文件輸入流中讀取，從off句柄開始的len個字節，并存儲至b字節數組內。
native void close0() // 關閉該文件輸入流及涉及的資源，比如說如果該文件輸入流的FileChannel對被獲取后，需要對FileChannel進行close。

其他還有值得一提的就是，在jdk1.4中，新增了NIO包，優化了一些IO處理的速度，所以在FileInputStream和FileOutputStream中新增了FileChannel getChannel()的方法。即獲取與該文件輸入流相關的 java.nio.channels.FileChannel對象。

三、FileOutputStream 源碼分析

FileOutputStream 源碼如下：

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/**
 * 文件輸入流是用于將數據寫入文件或者文件描述符類
 *  比如寫入圖片等的原始字節流。如果寫入字符流，考慮使用 FiLeWriter。
 */
publicclassSFileOutputStream extendsOutputStream
{
    /* 文件描述符類---此處用于打開文件的句柄 */
    private final FileDescriptor fd;
  
    /* 引用文件的路徑 */
    private final String path;
  
    /* 如果為 true，則將字節寫入文件末尾處，而不是寫入文件開始處 */
    private final boolean append;
  
    /* 關聯的FileChannel類，懶加載 */
    private FileChannel channel;
  
    private final Object closeLock = new Object();
    private volatile boolean closed = false;
    private static final ThreadLocal<Boolean> runningFinalize =
        new ThreadLocal<>();
  
    private static boolean isRunningFinalize() {
        Boolean val;
        if ((val = runningFinalize.get()) != null)
            return val.booleanValue();
        return false;
    }
  
    /* 通過文件名創建文件輸入流 */
    public FileOutputStream(String name) throws FileNotFoundException {
        this(name != null ? new File(name) : null, false);
    }
  
    /* 通過文件名創建文件輸入流，并確定文件寫入起始處模式 */
    public FileOutputStream(String name, boolean append)
        throws FileNotFoundException
    {
        this(name != null ? new File(name) : null, append);
    }
  
    /* 通過文件創建文件輸入流，默認寫入文件的開始處 */
    public FileOutputStream(File file) throws FileNotFoundException {
        this(file, false);
    }
  
    /* 通過文件創建文件輸入流，并確定文件寫入起始處  */
    public FileOutputStream(File file, boolean append)
        throws FileNotFoundException
    {
        String name = (file != null ? file.getPath() : null);
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        if (security != null) {
            security.checkWrite(name);
        }
        if (name == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
        if (file.isInvalid()) {
            throw new FileNotFoundException("Invalid file path");
        }
        this.fd = new FileDescriptor();
        this.append = append;
        this.path = name;
        fd.incrementAndGetUseCount();
        open(name, append);
    }
  
    /* 通過文件描述符類創建文件輸入流 */
    public FileOutputStream(FileDescriptor fdObj) {
        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        if (fdObj == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
        if (security != null) {
            security.checkWrite(fdObj);
        }
        this.fd = fdObj;
        this.path = null;
        this.append = false;
  
        fd.incrementAndGetUseCount();
    }
  
    /* 打開文件，并確定文件寫入起始處模式 */
    private native void open(String name, boolean append)
        throws FileNotFoundException;
  
    /* 將指定的字節b寫入到該文件輸入流，并指定文件寫入起始處模式 */
    private native void write(int b, boolean append) throws IOException;
  
    /* 將指定的字節b寫入到該文件輸入流 */
    public void write(int b) throws IOException {
        Object traceContext = IoTrace.fileWriteBegin(path);
        int bytesWritten = 0;
        try {
            write(b, append);
            bytesWritten = 1;
        } finally {
            IoTrace.fileWriteEnd(traceContext, bytesWritten);
        }
    }
  
    /* 將指定的字節數組寫入該文件輸入流，并指定文件寫入起始處模式 */
    private native void writeBytes(byte b[], int off, int len, boolean append)
        throws IOException;
  
    /* 將指定的字節數組b寫入該文件輸入流 */
    public void write(byte b[]) throws IOException {
        Object traceContext = IoTrace.fileWriteBegin(path);
        int bytesWritten = 0;
        try {
            writeBytes(b, 0, b.length, append);
            bytesWritten = b.length;
        } finally {
            IoTrace.fileWriteEnd(traceContext, bytesWritten);
        }
    }
  
    /* 將指定len長度的字節數組b寫入該文件輸入流 */
    public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {
        Object traceContext = IoTrace.fileWriteBegin(path);
        int bytesWritten = 0;
        try {
            writeBytes(b, off, len, append);
            bytesWritten = len;
        } finally {
            IoTrace.fileWriteEnd(traceContext, bytesWritten);
        }
    }
  
    /* 關閉此文件輸出流并釋放與此流有關的所有系統資源 */
    publicvoidclose() throwsIOException {
        synchronized(closeLock) {
            if(closed) {
                return;
            }
            closed = true;
        }
  
        if(channel != null) {
            fd.decrementAndGetUseCount();
            channel.close();
        }
  
        intuseCount = fd.decrementAndGetUseCount();
  
        if((useCount <= 0) || !isRunningFinalize()) {
            close0();
        }
    }
  
     public final FileDescriptor getFD()  throws IOException {
        if(fd != null) returnfd;
        thrownewIOException();
     }
  
    publicFile Channel getChannel() {
        synchronized(this) {
            if(channel == null) {
                channel = FileChannelImpl.open(fd, path, false, true, append, this);
  
                fd.incrementAndGetUseCount();
            }
            returnchannel;
        }
    }
  
    protected void finalize() throws IOException {
        if(fd != null) {
            if(fd == FileDescriptor.out || fd == FileDescriptor.err) {
                flush();
            } else{
  
                runningFinalize.set(Boolean.TRUE);
                try{
                    close();
                } finally{
                    runningFinalize.set(Boolean.FALSE);
                }
            }
        }
    }
  
    private native void close0() throws IOException;
  
    private static native void initIDs();
  
    static{
        initIDs();
    }
  
}

1. 三個核心方法

三個核心方法，也就是Override（重寫）了抽象類OutputStream的write方法。

void write(int b) 方法，即

1	`public` `void` `write(intb)` `throws` `IOException`

代碼實現中很簡單，一個try中調用本地native的write()方法，直接將指定的字節b寫入文件輸出流。IoTrace.fileReadEnd()的意思和上面FileInputStream意思一致。

void write(byte b[]) 方法，即

1	`public` `void` `write(byteb[])` `throws` `IOException`

代碼實現也是比較簡單的，也是一個try中調用本地native的writeBytes()方法，直接將指定的字節數組寫入該文件輸入流。

void write(byte b[], int off, int len) 方法，即

1	`public` `void` `write(byte` `b[],` `int` `off,` `int` `len)` `throws` `IOException`

代碼實現和 void write(byte b[]) 方法一樣，直接將指定的字節數組寫入該文件輸入流。

2. 值得一提的native方法

上面核心方法中為什么實現簡單，因為工作量都在native方法里面，即JVM里面實現了。native倒是不少一一列舉吧：

native void open(String name) // 打開文件，為了下一步讀取文件內容
native void write(int b, boolean append) // 直接將指定的字節b寫入文件輸出流
native native void writeBytes(byte b[], int off, int len, boolean append) // 直接將指定的字節數組寫入該文件輸入流。
native void close0() // 關閉該文件輸入流及涉及的資源，比如說如果該文件輸入流的FileChannel對被獲取后，需要對FileChannel進行close。

相似之處：

其實到這里，該想一想。兩個源碼實現很相似，而且native方法也很相似。其實不能說“相似”，應該以“對應”來概括它們。
它們是一組，是一根吸管的兩個孔的關系：“一個Input一個Output”。
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四、使用案例

下面先看代碼：

packageorg.javacore.io;
  
importjava.io.File;
importjava.io.FileInputStream;
importjava.io.FileOutputStream;
importjava.io.IOException;
  
/*
 * Copyright [2015] [Jeff Lee]
 *
 * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
 * you may not use this file except in compliance with the License.
 * You may obtain a copy of the License at
 *
 *   http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
 *
 * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
 * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
 * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
 * See the License for the specific language governing permissions and
 * limitations under the License.
 */
  
/**
 * @author Jeff Lee
 * @since 2015-10-8 20:06:03
 * FileInputStream&FileOutputStream使用案例
 */
public class FileIOStreamT {
    private static final String thisFilePath =
            "src"+ File.separator +
            "org"+ File.separator +
            "javacore"+ File.separator +
            "io"+ File.separator +
            "FileIOStreamT.java";
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 創建文件輸入流
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(thisFilePath);
        // 創建文件輸出流
        FileOutputStream fileOutputStream =  new FileOutputStream("data.txt");
          
        // 創建流的最大字節數組
        byte[] inOutBytes = new byte[fileInputStream.available()];
        // 將文件輸入流讀取，保存至inOutBytes數組
        fileInputStream.read(inOutBytes);
        // 將inOutBytes數組，寫出到data.txt文件中
        fileOutputStream.write(inOutBytes);
          
        fileOutputStream.close();
        fileInputStream.close();
    }
}

運行后，會發現根目錄中出現了一個“data.txt”文件，內容為上面的代碼。

1. 簡單地分析下源碼：

1、創建了FileInputStream，讀取該代碼文件為文件輸入流。
2、創建了FileOutputStream，作為文件輸出流，輸出至data.txt文件。
3、針對流的字節數組，一個 read ，一個write，完成讀取和寫入。
4、關閉流

2. 代碼調用的流程如圖所示：

iostream

3. 代碼雖簡單，但是有點小問題：

FileInputStream.available() 是返回流中的估計剩余字節數。所以一般不會用此方法。
一般做法，比如創建一個 byte數組，大小1K。然后read至其返回值不為-1，一直讀取即可。邊讀邊寫。

五、思考與小結

FileInputStream & FileOutputStream 是一對來自 InputStream和OutputStream的實現類。用于本地文件讀寫（二進制格式按順序讀寫）。

本文小結：

1、FileInputStream 源碼分析
2、FileOutputStream 資源分析
3、FileInputStream & FileOutputStream 使用案例
4、其源碼調用過程
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