JAVA IO 設計模式徹底分析

f663x 10年前發布 | 23K 次閱讀 Java Java開發

一。引子（概括地介紹Java的ＩＯ）

無論是哪種編程語言，輸入跟輸出都是重要的一部分，Java也不例外，而且Java將輸入／輸出的功能和使用范疇做了很大的擴充。它采用了流的機制來實現輸入／輸出，所謂流，就是數據的有序排列，而流可以是從某個源（稱為流源或Source of Stream）出來，到某個目的地（稱為流匯或Sink of Stream）去的。由流的方向，可以分成輸入流和輸出流，一個程序從輸入流讀取數據向輸出流寫數據。

如，一個程序可以用FileInputStream類從一個磁盤文件讀取數據，如下圖所示：

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像FileInputStream這樣的處理器叫做流處理器，它就像流的管道一樣，從一個流源吸入某種類型的數據，并輸出某種類型的數據。上面這種示意圖叫做流的管道圖。

同樣道理，也可以用FileOutputStream類向一個磁盤文件寫數據，如下圖所示：

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在實際應用這種機制并不沒有太大的用處，程序需要寫出地通常是非常結構化的信息，因此這些byte類型的數據實際上是一些數值，文字，源代碼等。Java的I/O庫提供了一個稱做鏈接（Chaining）的機制，可以將一個流處理器跟另一個流處理器首尾相接，以其中之一的輸出為輸入，形成一個流管道的鏈接。

例如，DataInputStream流處理器可以把FileInputStream流對象的輸出當作輸入，將Byte類型的數據轉換成Java的原始類型和String類型的數據。如下圖所示：

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類似地，向一個文件寫入Byte類型的數據不是一個簡單的過程。一個程序需要向一個文件里寫入的數據往往都是結構化的，而Byte類型則是原始類型。因此在寫的時候必須經過轉換。DataOutputStream流處理器提供了接收了原始數據類型和String數據類型，而這個流處理器的輸出數據則是Byte類型。也就是說DataOutputStream可以將源數據轉換成Byte類型的數據，再輸出來。

這樣一來，就可以將DataOutputStream與FileOutputStream鏈接起來，這樣程序就可以將原始數據類型和String類型的源數據寫入這個鏈接好的雙重管道里面，達到將結構化數據寫到磁盤文件里面的目的，如下圖所示：

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這又是鏈接的所發揮的大作用。

流處理器所處理的流必定都有流源，而如果將流類所處理的流源分類的話，基本可以分成兩大類：

第一數組，String，File等，這一種叫原始流源。

第二同樣類型的流用做鏈接流類的流源，叫鏈接流源。

二 Java I/O庫的設計原則

Java語言的I/O庫是對各種常見的流源，流匯以及處理過程的抽象化。客戶端的Java程序不必知道最終的流源，流匯是磁盤上的文件還是數組等；也不必關心數據是否經過緩沖的，可否按照行號讀取等處理的細節。

書中提到了，對于第一次見到Java/IO庫的人，無不因為這個庫的龐雜而感到困惑；而對于熟悉這個庫的人，而又常常為這個庫的設計是否得當而爭論不體。書的作者提出自己的意見，要理解Java I/O這個龐大而復雜的庫，關鍵是要掌握兩個對稱性跟兩個設計模式模式。

Java I/O庫具有兩個對稱性，它們分別是：

１輸入－輸出對稱性，比如InputStream和OutputStream各自占據Byte流的輸入與輸出的兩個平行的等級結構的根部。而Reader和Writer各自占據Char流的輸入與輸出的兩個平行的等級結構的根部。

２ byte-char對稱，InputStream和Reader的子類分別負責Byte和Char流的輸入；OutputStream和Writer的子類分別負責Byte和Char流的輸出，它們分別形成平行的等級結構。

Java I/O庫的兩個設計模式：

Java的I/O庫總體設計是符合裝飾者模式（Decorator）跟適配器模式（Adapter）的。如前所述，這個庫中處理流的類叫做流類。引子里所談到的FileInputStream，FileOutputStream，DataInputStream及 DataOutputStream都是流處理器的例子。

１裝飾者模式：在由InputStream，OutputStream，Reader和Writer代表的等級結構內部，有一些流處理器可以對另一些流處理器起到裝飾作用，形成新的，具有改善了的功能的流處理器。裝飾者模式是Java I/O庫的整體設計模式。這樣的一個原則是符合裝飾者模式的，如下圖所示：

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２適配器模式：在由InputStream，OutputStream，Reader和Writer代表的等級結構內部，有一些流處理器是對其它類型的流源的適配。這就是適配器模式的應用，如下圖所示。

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適配器模式應用到了原始流處理器的設計上面，構成了I/O庫所有流處理器的起點。

JDK為程序員提供了大量的類庫，而為了保持類庫的可重用性，可擴展性和靈活性，其中使用到了大量的設計模式，本文將介紹JDK的I/O包中使用到的Decorator模式，并運用此模式，實現一個新的輸出流類。

適配器類圖如下：

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在看源代碼

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);
}
//其它代碼
｝

我的理解：

它繼承了InputStrem類型，同時持有一個對FileDiscriptor的引用，是將一個FileDiscriptor對象適配成InputStrem類型的對象形式的適配器模式。

Decorator模式簡介

Decorator模式又名包裝器（Wrapper），它的主要用途在于給一個對象動態的添加一些額外的職責。與生成子類相比，它更具有靈活性。

有時候，我們需要為一個對象而不是整個類添加一些新的功能，比如，給一個文本區添加一個滾動條的功能。我們可以使用繼承機制來實現這一功能，但是這種方法不夠靈活，我們無法控制文本區加滾動條的方式和時機。而且當文本區需要添加更多的功能時，比如邊框等，需要創建新的類，而當需要組合使用這些功能時無疑將會引起類的爆炸。

我們可以使用一種更為靈活的方法，就是把文本區嵌入到滾動條中。而這個滾動條的類就相當于對文本區的一個裝飾。這個裝飾（滾動條）必須與被裝飾的組件（文本區）繼承自同一個接口，這樣，用戶就不必關心裝飾的實現，因為這對他們來說是透明的。裝飾會將用戶的請求轉發給相應的組件（即調用相關的方法），并可能在轉發的前后做一些額外的動作（如添加滾動條）。通過這種方法，我們可以根據組合對文本區嵌套不同的裝飾，從而添加任意多的功能。這種動態的對對象添加功能的方法不會引起類的爆炸，也具有了更多的靈活性。

以上的方法就是Decorator模式，它通過給對象添加裝飾來動態的添加新的功能。如下是Decorator模式的UML圖：

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Component為組件和裝飾的公共父類，它定義了子類必須實現的方法。

ConcreteComponent是一個具體的組件類，可以通過給它添加裝飾來增加新的功能。

Decorator是所有裝飾的公共父類，它定義了所有裝飾必須實現的方法，同時，它還保存了一個對于Component的引用，以便將用戶的請求轉發給Component，并可能在轉發請求前后執行一些附加的動作。

ConcreteDecoratorA和ConcreteDecoratorB是具體的裝飾，可以使用它們來裝飾具體的Component.

我的理解：

上圖中的抽象鏈接流是一個Decorator，它不真正的裝飾，它只提供接口，讓它的子類去裝飾。相當于上圖中的具體鏈接流去裝飾原始流。

JAVA IO包中的Decorator模式

JDK提供的java.io包中使用了Decorator模式來實現對各種輸入輸出流的封裝。以下將以java.io.OutputStream及其子類為例，討論一下Decorator模式在IO中的使用。

首先來看一段用來創建IO流的代碼：

以下是代碼片段：

try {

OutputStream out = new DataOutputStream（new FileOutputStream（"test.txt"））；

} catch （FileNotFoundException e） {

e.printStackTrace（）；

}

這段代碼對于使用過JAVA輸入輸出流的人來說再熟悉不過了，我們使用DataOutputStream封裝了一個 FileOutputStream.這是一個典型的Decorator模式的使用，FileOutputStream相當于 Component，DataOutputStream就是一個Decorator.將代碼改成如下，將會更容易理解：

以下是代碼片段：

try {

OutputStream out = new FileOutputStream（"test.txt"）；

out = new DataOutputStream（out）；

} catch（FileNotFoundException e） {

e.printStatckTrace（）；

}

由于FileOutputStream和DataOutputStream有公共的父類OutputStream，因此對對象的裝飾對于用戶來說幾乎是透明的。下面就來看看OutputStream及其子類是如何構成Decorator模式的：

OutputStream是一個抽象類，它是所有輸出流的公共父類，其源代碼如下：

以下是代碼片段：

public abstract class OutputStream implements Closeable， Flushable {

public abstract void write（int b） throws IOException；

……

}

它定義了write（int b）的抽象方法。這相當于Decorator模式中的Component類。

ByteArrayOutputStream，FileOutputStream 和 PipedOutputStream 三個類都直接從OutputStream繼承，以ByteArrayOutputStream為例：

以下是代碼片段：

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；

}

……

}

它實現了OutputStream中的write（int b）方法，因此我們可以用來創建輸出流的對象，并完成特定格式的輸出。它相當于Decorator模式中的ConcreteComponent類。

接著來看一下FilterOutputStream，代碼如下：

以下是代碼片段：

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）；

}

……

}

同樣，它也是從OutputStream繼承。但是，它的構造函數很特別，需要傳遞一個OutputStream的引用給它，并且它將保存對此對象的引用。而如果沒有具體的OutputStream對象存在，我們將無法創建FilterOutputStream.由于out既可以是指向 FilterOutputStream類型的引用，也可以是指向ByteArrayOutputStream等具體輸出流類的引用，因此使用多層嵌套的方式，我們可以為ByteArrayOutputStream添加多種裝飾。這個FilterOutputStream類相當于Decorator模式中的 Decorator類，它的write（int b）方法只是簡單的調用了傳入的流的write（int b）方法，而沒有做更多的處理，因此它本質上沒有對流進行裝飾，所以繼承它的子類必須覆蓋此方法，以達到裝飾的目的。

BufferedOutputStream 和 DataOutputStream是FilterOutputStream的兩個子類，它們相當于Decorator模式中的 ConcreteDecorator，并對傳入的輸出流做了不同的裝飾。以BufferedOutputStream類為例：

以下是代碼片段：

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；

}

……

}

這個類提供了一個緩存機制，等到緩存的容量達到一定的字節數時才寫入輸出流。首先它繼承了FilterOutputStream，并且覆蓋了父類的write（int b）方法，在調用輸出流寫出數據前都會檢查緩存是否已滿，如果未滿，則不寫。這樣就實現了對輸出流對象動態的添加新功能的目的。

下面，將使用Decorator模式，為IO寫一個新的輸出流。

自己寫一個新的輸出流

了解了OutputStream及其子類的結構原理后，我們可以寫一個新的輸出流，來添加新的功能。這部分中將給出一個新的輸出流的例子，它將過濾待輸出語句中的空格符號。比如需要輸出"java io OutputStream"，則過濾后的輸出為"javaioOutputStream".以下為SkipSpaceOutputStream類的代碼：

以下是代碼片段：

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.

* @author Magic

*

*/

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）；

}

}

}

它從FilterOutputStream繼承，并且重寫了它的write（int b）方法。在write（int b）方法中首先對輸入字符進行了檢查，如果不是空格，則輸出。

以下是一個測試程序：

以下是代碼片段：

import java.io.BufferedInputStream；

import java.io.DataInputStream；

import java.io.DataOutputStream；

import java.io.IOException；

import java.io.InputStream；

import java.io.OutputStream；

/**

* Test the SkipSpaceOutputStream.

* @author Magic

*

*/

public class Test {

public static void main（String[] args）{

byte[] buffer = new byte[1024]；

/**

* Create input stream from the standard input.

*/

InputStream in = new BufferedInputStream（new DataInputStream（System.in））；

/**

* write to the standard output.

*/

OutputStream out = new SkipSpaceOutputStream（new DataOutputStream（System.out））；

try {

System.out.println（"Please input your words： "）；

int n = in.read（buffer，0，buffer.length）；

for（int i=0；i〈n；i++）{

out.write（buffer[i]）；

}

} catch （IOException e） {

e.printStackTrace（）；

}

}

}

執行以上測試程序，將要求用戶在console窗口中輸入信息，程序將過濾掉信息中的空格，并將最后的結果輸出到console窗口。比如：

以下是引用片段：

Please input your words：

a b c d e f

abcdef

總結

在java.io包中，不僅OutputStream用到了Decorator設計模式，InputStream，Reader，Writer 等都用到了此模式。而作為一個靈活的，可擴展的類庫，JDK中使用了大量的設計模式，比如在Swing包中的MVC模式，RMI中的Proxy模式等等。對于JDK中模式的研究不僅能加深對于模式的理解，而且還有利于更透徹的了解類庫的結構和組成。

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