Java IO流以及裝飾器模式在其上的運用

流概述

Java中，流是一種有序的位元組序列，可以有任意的長度。從應用流向目的地稱為輸出流，從目的地流向應用稱為輸入流。

Java的流族譜

Java的 java.io 包中囊括了整個流的家族，輸出流和輸入流的譜系如下所示：

InputStream和OutputStream

InputStream和OutputStream分別是輸入輸出流的頂級抽象父類，只定義了一些抽象方法供子類實現。

在輸出流OutputStream中，如果你需要向一個輸出流寫入資料，可以呼叫 void write(int b) 方法，這個方法會將b的低八位寫入流中，高24位將會被自動忽略。如果想要批量寫入資料呢，那麼可以呼叫 void write(byte[] b) 方法將一個位元組陣列的內容全部寫入流中，同時還有 void write(byte[] b, int off, int len) 可以讓你指定從哪裡寫入多少資料。

如果你希望你向流中寫入的資料能夠儘快地輸送到目的地，比如說檔案，那麼可以在寫入資料後，呼叫 flush() 方法將當前輸出流刷到作業系統層面的緩衝區中。不過需要注意的是，此方法並不保證資料立馬就能刷到實際的物理目的地(比如說儲存)。

使用完流後應該呼叫其 close() 方法將流關閉，流關閉時，將會先flush，後關閉。

在輸入流InputStream中，可以通過 int read() 方法來從流中讀取一個位元組，批量讀取位元組可以通過 int read(byte[] b) 或者 int read(byte[] b, int off, int len) 來實現，這兩個方法的返回值為實際讀取到的位元組數。如果需要重複讀取流中某段資料，可以在讀取之前先使用 void mark(int readlimit) 方法在當前位置做一個記號，之後通過 void reset() 方法返回到之前做標記的位置，不過在做這些標記操作之前，需要先通過 boolean markSupported() 方法來確定該流是否支援標記。如果對某些可預知的資料不感興趣，可以使用 long skip(long n) 來調過一些流中的一些資料。

使用完流，無論是輸入還是輸出流，都要呼叫其 close() 方法對其進行關閉。

裝飾器模式

裝飾器模式（Decorator Pattern）允許向一個現有的物件新增新的功能，同時又不改變其結構。這種型別的設計模式屬於結構型模式，它是作為現有的類的一個包裝。

這種設計模式建立了一個裝飾類，用來包裝原有的類，並在保持類方法簽名完整性的前提下，提供了額外的功能。

以InputStream為例，它是一個抽象類:

public abstract class InputStream implements Closeable {
    ...
    ...
}

並定義有抽象方法

public abstract int read() throws IOException;

該抽象方法由具體的子類去實現，通過InputStream的族譜圖可以看到，直接繼承了InputStream，並且提供某一特定功能的子類有：

• ByteArrayInputStream
• FileInputStream
• ObjectInputStream
• PipedInputStream
• SequenceInputStream
• StringBufferInputStream

這些子類都具有特定的功能，比如說，FileInputStream代表一個檔案輸入流並提供讀取檔案內容的功能，ObjectInputStream提供了物件反序列化的功能。

InputStream這個抽象類有一個子類與上述其它子類非常不同，這個子類就是 FilterInputStream ，可參見上圖中的InputStream族譜圖。

翻開FilterInputStream的程式碼，我們可以看到，它內部又維護了一個InputStream的成員物件，並且它的所有方法，都是呼叫這個成員物件的同名方法。換句話說，FilterInputStream它什麼事都不做。就是把呼叫委託給內部的InputStream成員物件。如下所示：

public class FilterInputStream extends InputStream {
    protected volatile InputStream in;

    protected FilterInputStream(InputStream in) {
        this.in = in;
    }

    public int read() throws IOException {
        return in.read();
    }

    public int read(byte b[]) throws IOException {
        return read(b, 0, b.length);
    }

    public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
        return in.read(b, off, len);
    }

    public long skip(long n) throws IOException {
        return in.skip(n);
    }

    public int available() throws IOException {
        return in.available();
    }

    public void close() throws IOException {
        in.close();
    }

    public synchronized void mark(int readlimit) {
        in.mark(readlimit);
    }

    public synchronized void reset() throws IOException {
        in.reset();
    }

    public boolean markSupported() {
        return in.markSupported();
    }

FilterInputStream的又有其子類，分別是：

• BufferedInputStream
• DataInputStream
• LineNumberInputStream
• PushbackInputStream

雖然從上面程式碼看FilterInputStream並沒有做什麼有卵用的事，但是它的子類可不同了，以BufferedInputStream為例，這個類提供了提前讀取資料的功能，也就是緩衝的功能。可以看看它的read方法：

    public synchronized int read() throws IOException {
        if (pos >= count) {
            fill();
            if (pos >= count)
                return -1;
        }
        return getBufIfOpen()[pos++] & 0xff;
    }

可以看到，當pos>=count時，意即需要提前緩衝一些資料的時候到了，那麼就會呼叫fill()將緩衝區加滿，以便後續讀取。 由於本文只討論io流的裝飾器模式，所以關於具體實現細節將不會展開討論，比如本文不會討論fill()方法是如何實現的，在這裡可以先將它當做一個黑盒子。

從這裡可以開始感受到，BufferedInputStream就是一個裝飾者，它能為一個原本沒有緩衝功能的InputStream新增上緩衝的功能。

比如我們常用的FileInputStream，它並沒有緩衝功能，我們每次呼叫read，都會向作業系統發起呼叫索要資料。假如我們通過BufferedInputStream來 裝飾 它，那麼每次呼叫read，會預先向作業系統多拿一些資料，這樣就不知不覺中提高了程式的效能。如以下程式碼所示：

BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(new File("/home/user/abc.txt")));

同理，對於其它的FilterInputStream的子類，其作用也是一樣的，那就是裝飾一個InputStream，為它新增它原本不具有的功能。OutputStream以及家屬對於裝飾器模式的體現，也以此類推。

JDK中的io流的設計是設計模式中裝飾器模式的一個經典示範，如果細心發現，JDK中還有許多其它設計模式的體現，比如說監聽者模式等等。