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    Java IO 之 FileInputStream & FileOutputStream 源码分析

    出处：iceAeterna

    一、引子

    文件，作为常见的数据源。关于操作文件的字节流就是 — FileInputStream & FileOutputStream。它们是Basic IO字节流中重要的实现类。

    二、FileInputStream源码分析

    FileInputStream源码如下：

    /**
 * FileInputStream 从文件系统的文件中获取输入字节流。文件取决于主机系统。
 *  比如读取图片等的原始字节流。如果读取字符流，考虑使用 FiLeReader。
 */
public class SFileInputStream extends InputStream
{
    /* 文件描述符类---此处用于打开文件的句柄 */
    private final FileDescriptor fd;

    /* 引用文件的路径 */
    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;
    }

    /* 通过文件路径名来创建FileInputStream */
    public FileInputStream(String name) throws FileNotFoundException {
        this(name != null   new File(name) : null);
    }

    /* 通过文件来创建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);
    }

    /* 通过文件描述符类来创建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();
    }

    /* 打开文件，为了下一步读取文件内容。native方法 */
    private native void open(String name) throws FileNotFoundException;

    /* 从此输入流中读取一个数据字节 */
    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;
    }

    /* 从此输入流中读取一个数据字节。native方法 */
    private native int read0() throws IOException;

    /* 从此输入流中读取多个字节到byte数组中。native方法 */
    private native int readBytes(byte b[], int off, int len) throws IOException;

    /* 从此输入流中读取多个字节到byte数组中。 */
    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;
    }

    /* 从此输入流中读取最多len个字节到byte数组中。 */
    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;

    /* 返回下一次对此输入流调用的方法可以不受阻塞地从此输入流读取（或跳过）的估计剩余字节数。 */
    public native int available() throws IOException;

    /* 关闭此文件输入流并释放与此流有关的所有系统资源。 */
    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();
    }

    /* 获取此文件输入流的唯一FileChannel对象 */
    public FileChannel getChannel() {
        synchronized (this) {
            if (channel == null) {
                channel = FileChannelImpl.open(fd, path, true, false, this);
                fd.incrementAndGetUseCount();
            }
            return channel;
        }
    }

    private static native void initIDs();

    private native void close0() throws IOException;

    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. 三个核心方法

    三个核心方法，也就是Override（重写）了抽象类InputStream的read方法。

    int read() 方法，即

    public int read() throws IOException

    代码实现中很简单，一个try中调用本地native的read0()方法，直接从文件输入流中读取一个字节。IoTrace.fileReadEnd(),字面意思是防止文件没有关闭读的通道，导致读文件失败，一直开着读的通道，会造成内存泄露。

    int read(byte b[]) 方法，即

    public int read(byte b[]) throws IOException

    代码实现也是比较简单的，也是一个try中调用本地native的readBytes()方法，直接从文件输入流中读取最多b.length个字节到byte数组b中。

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

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

    代码实现和 int read(byte b[])方法 一样，直接从文件输入流中读取最多len个字节到byte数组b中。

    可是这里有个问答：

    Q： 为什么 int read(byte b[]) 方法需要自己独立实现呢？ 直接调用 int read(byte b[], int off, int len) 方法，即read(b , 0 , b.length)，等价于read(b)？

    A：待完善，希望路过大神回答。。。。向下兼容？？ Finally？？

    2. 值得一提的native方法

    上面核心方法中为什么实现简单，因为工作量都在native方法里面，即JVM里面实现了。native倒是不少一一列举吧：

    native void open(String name) // 打开文件，为了下一步读取文件内容

    native int read0() // 从文件输入流中读取一个字节

    native int readBytes(byte b[], int off, int len) // 从文件输入流中读取，从off句柄开始的len个字节，并存储至b字节数组内。

    native void close0() // 关闭该文件输入流及涉及的资源，比如说如果该文件输入流的FileChannel对被获取后，需要对FileChannel进行close。

    其他还有值得一提的就是，在jdk1.4中，新增了NIO包，优化了一些IO处理的速度，所以在FileInputStream和FileOutputStream中新增了FileChannel getChannel()的方法。即获取与该文件输入流相关的 java.nio.channels.FileChannel对象。

    三、FileOutputStream 源码分析

    FileOutputStream 源码如下：

    /**
 * 文件输入流是用于将数据写入文件或者文件描述符类
 *  比如写入图片等的原始字节流。如果写入字符流，考虑使用 FiLeWriter。
 */
public class SFileOutputStream extends OutputStream
{
    /* 文件描述符类---此处用于打开文件的句柄 */
    private final FileDescriptor fd;

    /* 引用文件的路径 */
    private final String path;

    /* 如果为 true，则将字节写入文件末尾处，而不是写入文件开始处 */
    private final boolean append;

    /* 关联的FileChannel类，懒加载 */
    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;
    }

    /* 通过文件名创建文件输入流 */
    public FileOutputStream(String name) throws FileNotFoundException {
        this(name != null   new File(name) : null, false);
    }

    /* 通过文件名创建文件输入流，并确定文件写入起始处模式 */
    public FileOutputStream(String name, boolean append)
        throws FileNotFoundException
    {
        this(name != null   new File(name) : null, append);
    }

    /* 通过文件创建文件输入流，默认写入文件的开始处 */
    public FileOutputStream(File file) throws FileNotFoundException {
        this(file, false);
    }

    /* 通过文件创建文件输入流，并确定文件写入起始处  */
    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);
    }

    /* 通过文件描述符类创建文件输入流 */
    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();
    }

    /* 打开文件，并确定文件写入起始处模式 */
    private native void open(String name, boolean append)
        throws FileNotFoundException;

    /* 将指定的字节b写入到该文件输入流，并指定文件写入起始处模式 */
    private native void write(int b, boolean append) throws IOException;

    /* 将指定的字节b写入到该文件输入流 */
    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);
        }
    }

    /* 将指定的字节数组写入该文件输入流，并指定文件写入起始处模式 */
    private native void writeBytes(byte b[], int off, int len, boolean append)
        throws IOException;

    /* 将指定的字节数组b写入该文件输入流 */
    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);
        }
    }

    /* 将指定len长度的字节数组b写入该文件输入流 */
    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);
        }
    }

    /* 关闭此文件输出流并释放与此流有关的所有系统资源 */
    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();
     }

    public FileChannel getChannel() {
        synchronized (this) {
            if (channel == null) {
                channel = FileChannelImpl.open(fd, path, false, true, append, this);

                fd.incrementAndGetUseCount();
            }
            return channel;
        }
    }

    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. 三个核心方法

    三个核心方法，也就是Override（重写）了抽象类OutputStream的write方法。

    void write(int b) 方法，即

    public void write(int b) throws IOException

    代码实现中很简单，一个try中调用本地native的write()方法，直接将指定的字节b写入文件输出流。IoTrace.fileReadEnd()的意思和上面FileInputStream意思一致。

    void write(byte b[]) 方法，即

    public void write(byte b[]) throws IOException

    代码实现也是比较简单的，也是一个try中调用本地native的writeBytes()方法，直接将指定的字节数组写入该文件输入流。

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

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

    代码实现和 void write(byte b[]) 方法 一样，直接将指定的字节数组写入该文件输入流。

    2. 值得一提的native方法

    上面核心方法中为什么实现简单，因为工作量都在native方法里面，即JVM里面实现了。native倒是不少一一列举吧：

    native void open(String name) // 打开文件，为了下一步读取文件内容

    native void write(int b, boolean append) // 直接将指定的字节b写入文件输出流

    native native void writeBytes(byte b[], int off, int len, boolean append) // 直接将指定的字节数组写入该文件输入流。

    native void close0() // 关闭该文件输入流及涉及的资源，比如说如果该文件输入流的FileChannel对被获取后，需要对FileChannel进行close。

    相似之处：

    其实到这里，该想一想。两个源码实现很相似，而且native方法也很相似。其实不能说“相似”，应该以“对应”来概括它们。

    它们是一组，是一根吸管的两个孔的关系：“一个Input一个Output”。

    四、使用案例

    下面先看代码：

    package org.javacore.io;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.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 {
        // 创建文件输入流
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(thisFilePath);
        // 创建文件输出流
        FileOutputStream fileOutputStream =  new FileOutputStream("data.txt");

        // 创建流的最大字节数组
        byte[] inOutBytes = new byte[fileInputStream.available()];
        // 将文件输入流读取，保存至inOutBytes数组
        fileInputStream.read(inOutBytes);
        // 将inOutBytes数组，写出到data.txt文件中
        fileOutputStream.write(inOutBytes);

        fileOutputStream.close();
        fileInputStream.close();
    }
}

    运行后，会发现根目录中出现了一个“data.txt”文件，内容为上面的代码。

    1. 简单地分析下源码：

    1、创建了FileInputStream，读取该代码文件为文件输入流。

    2、创建了FileOutputStream，作为文件输出流，输出至data.txt文件。

    3、针对流的字节数组，一个 read ，一个write，完成读取和写入。

    4、关闭流

    2. 代码调用的流程如图所示：

    iostream

    3. 代码虽简单，但是有点小问题：

    FileInputStream.available() 是返回流中的估计剩余字节数。所以一般不会用此方法。

    一般做法，比如创建一个 byte数组，大小1K。然后read至其返回值不为-1，一直读取即可。边读边写。

    五、思考与小结

    FileInputStream & FileOutputStream 是一对来自 InputStream和OutputStream的实现类。用于本地文件读写（二进制格式按顺序读写）。

    ITJS的这篇文章小结：

    1、FileInputStream 源码分析

    2、FileOutputStream 资源分析

    3、FileInputStream & FileOutputStream 使用案例

    4、其源码调用过程

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