【深入理解Java IO流0x05】Java缓冲流：为提高IO效率而生

1. 引言

我们都知道，内存与硬盘的交互是比较耗时的，因此适当得减少IO的操作次数，能提升整体的效率。
Java 的缓冲流是对字节流和字符流的一种封装（装饰器模式，关于IO流中的一些设计模式，后续会再出博客来讲），通过在内存中开辟缓冲区来提高 I/O 操作的效率。Java 通过 BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream 来实现字节流的缓冲，通过 BufferedReader 和 BufferedWriter 来实现字符流的缓冲。
缓冲流的工作原理是将数据先写入缓冲区中，当缓冲区满时再一次性写入文件或输出流，或者当缓冲区为空时一次性从文件或输入流中读取一定量的数据。这样可以减少系统的 I/O 操作次数，提高系统的 I/O 效率，从而提高程序的运行效率。

2. 字节缓冲流

BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream 属于字节缓冲流，强化了字节流 InputStream 和 OutputStream。

2.1 构造方法

BufferedInputStream(InputStream in) ：创建一个新的缓冲输入流，注意参数类型为InputStream。
BufferedOutputStream(OutputStream out)：创建一个新的缓冲输出流，注意参数类型为OutputStream。

实战代码：

// 创建字节缓冲输入流，先声明字节流
FileInputStream fps = new FileInputStream(b.txt);
// 再通过装饰器模式创建字节缓冲输入流
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fps)

// 也可以一步到位
// 创建字节缓冲输入流（一步到位）
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("b.txt"));

// 创建字节缓冲输出流（一步到位）
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("b.txt"));

2.2 高效性

通过实战来感受一下缓冲流的高效：
分别通过字节流和字节缓冲流复制一个 524.9 mb 的 PDF 文件对比如下：

@Test
void copy_pdf_to_another_pdf_buffer_stream() {
    // 记录开始时间
    long start = System.currentTimeMillis();
    try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("深入理解计算机操作系统.pdf"));
         BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("深入理解计算机操作系统-副本.pdf"))) {
        int content;
        while ((content = bis.read()) != -1) {
            bos.write(content);
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    // 记录结束时间
    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("使用缓冲流复制PDF文件总耗时:" + (end - start) + " 毫秒");
}

@Test
void copy_pdf_to_another_pdf_stream() {
    // 记录开始时间
    long start = System.currentTimeMillis();
    try (FileInputStream fis = new FileInputStream("深入理解计算机操作系统.pdf");
         FileOutputStream fos = new FileOutputStream("深入理解计算机操作系统-副本.pdf")) {
        int content;
        while ((content = fis.read()) != -1) {
            fos.write(content);
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    // 记录结束时间
    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("使用普通流复制PDF文件总耗时:" + (end - start) + " 毫秒");
}

---------------------------------------------------------------------------
output：
使用缓冲流复制PDF文件总耗时:15428 毫秒
使用普通字节流复制PDF文件总耗时:2555062 毫秒

当然，上面的代码我们读和写分别调用的是read()和write(int b)，所以差距会这么大。
如果调用的是read(byte[] b)和write(byte[] b, int off, int len)这两个方法的话，只要我们选的字节数组大小合适，两者性能差距其实并不大，不妨试一下：

@Test
void copy_pdf_to_another_pdf_with_byte_array_buffer_stream() {
    // 记录开始时间
    long start = System.currentTimeMillis();
    try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("深入理解计算机操作系统.pdf"));
         BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("深入理解计算机操作系统-副本.pdf"))) {
        int len;
        byte[] bytes = new byte[4 * 1024];
        while ((len = bis.read(bytes)) != -1) {
            bos.write(bytes, 0, len);
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    // 记录结束时间
    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("使用缓冲流复制PDF文件总耗时:" + (end - start) + " 毫秒");
}

@Test
void copy_pdf_to_another_pdf_with_byte_array_stream() {
    // 记录开始时间
    long start = System.currentTimeMillis();
    try (FileInputStream fis = new FileInputStream("深入理解计算机操作系统.pdf");
         FileOutputStream fos = new FileOutputStream("深入理解计算机操作系统-副本.pdf")) {
        int len;
        byte[] bytes = new byte[4 * 1024];
        while ((len = fis.read(bytes)) != -1) {
            fos.write(bytes, 0, len);
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    // 记录结束时间
    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("使用普通流复制PDF文件总耗时:" + (end - start) + " 毫秒");
}
--------------------------------------------------------------------------------
output：
使用缓冲流复制PDF文件总耗时:695 毫秒
使用普通字节流复制PDF文件总耗时:989 毫秒

两者耗时差别不是很大，缓冲流的性能要略微好一点点。

2.3 为什么字节缓冲流这么快？

传统的 Java IO 是阻塞模式的，它的工作状态就是“读/写，等待，读/写，等待…”
字节缓冲流解决的就是这个问题：一次多读点多写点，减少读写的频率，用空间换时间。

减少系统调用次数：在使用字节缓冲流时，数据不是立即写入磁盘或输出流，而是先写入缓冲区，当缓冲区满时再一次性写入磁盘或输出流。这样可以减少系统调用的次数，从而提高 I/O 操作的效率。
减少磁盘读写次数：在使用字节缓冲流时，当需要读取数据时，缓冲流会先从缓冲区中读取数据，如果缓冲区中没有足够的数据，则会一次性从磁盘或输入流中读取一定量的数据。同样地，当需要写入数据时，缓冲流会先将数据写入缓冲区，如果缓冲区满了，则会一次性将缓冲区中的数据写入磁盘或输出流。这样可以减少磁盘读写的次数，从而提高 I/O 操作的效率。
提高数据传输效率：在使用字节缓冲流时，由于数据是以块的形式进行传输，因此可以减少数据传输的次数，从而提高数据传输的效率。

来看BufferedInputStream的read方法：

public synchronized int read() throws IOException{
    if (pos >= count) {     // 如果当前位置已经到达缓冲区末尾
        fill();             // 填充缓冲区
        if (pos >= count)   // 如果填充后仍然到达缓冲区末尾，说明已经读取完毕
            return -1;      // 返回 -1 表示已经读取完毕
    }
    return getBufIfOpen()[pos++] & 0xff; // 返回当前位置的字节，并将位置加 1
}

这段代码主要有两部分：

fill()：该方法会将缓冲 buf 填满。
getBufIfOpen()[pos++] & 0xff：返回当前读取位置 pos 处的字节（getBufIfOpen()返回的是 buffer 数组，是 byte 类型），并将其与 0xff 进行位与运算。这里的目的是将读取到的字节 b 当做无符号的字节处理，因为 Java 的 byte 类型是有符号的，而将 b 与 0xff 进行位与运算，就可以将其转换为无符号的字节，其范围为 0 到 255。

byte & 0xFF 我们后面会讲。

再来看FileInputStream的read方法：

在这段代码中，read0()方法是一个本地方法，它的实现是由底层操作系统提供的，并不是 Java 语言实现的。在不同的操作系统上，read0()方法的实现可能会有所不同，但是它们的功能都是相同的，都是用于读取一个字节。
再来看一下 BufferedOutputStream 的 write(byte b[], int off, int len) 方法：

public synchronized void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {
    if (len >= buf.length) {    // 如果写入的字节数大于等于缓冲区长度
        /* 如果请求的长度超过了输出缓冲区的大小，
           先刷新缓冲区，然后直接将数据写入。
           这样可以避免缓冲流级联时的问题。*/
        flushBuffer();          // 先刷新缓冲区
        out.write(b, off, len); // 直接将数据写入输出流
        return;
    }
    if (len > buf.length - count) { // 如果写入的字节数大于空余空间
        flushBuffer();              // 先刷新缓冲区
    }
    System.arraycopy(b, off, buf, count, len); // 将数据拷贝到缓冲区中
    count += len;                             // 更新计数器
}

首先，该方法会检查写入的字节数是否大于等于缓冲区长度，如果是，则先将缓冲区中的数据刷新到磁盘中，然后直接将数据写入输出流。这样做是为了避免缓冲流级联时的问题，即缓冲区的大小不足以容纳写入的数据时，可能会引发级联刷新，导致效率降低。

级联问题（Cascade Problem）是指在一组缓冲流（Buffered Stream）中，由于缓冲区的大小不足以容纳要写入的数据，导致数据被分割成多个部分，并分别写入到不同的缓冲区中，最终需要逐个刷新缓冲区，从而导致性能下降的问题。

其次，如果写入的字节数小于缓冲区长度，则检查缓冲区中剩余的空间是否足够容纳要写入的字节数，如果不够，则先将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。然后，使用 System.arraycopy() 方法将要写入的数据拷贝到缓冲区中，并更新计数器 count。
最后，如果写入的字节数小于缓冲区长度且缓冲区中还有剩余空间，则直接将要写入的数据拷贝到缓冲区中，并更新计数器 count。也就是说，只有当 buf 写满了，才会 flush，将数据刷到磁盘。
缓冲区的默认大小为 8192 个字节。
对比一下 FileOutputStream 的 write 方法，同样是本地方法，一次只能写入一个字节。

2.4 byte & 0xFF

byte 类型通常被用于存储二进制数据，例如读取和写入文件、网络传输等场景。在这些场景下，byte 类型的变量可以用来存储数据流中的每个字节，从而进行读取和写入操作。
byte 类型是有符号的，即其取值范围为 -128 到 127。如果我们希望得到的是一个无符号的 byte 值，就需要使用 byte & 0xFF来进行转换。
这是因为 0xFF 是一个无符号的整数，它的二进制表示为 11111111。当一个 byte 类型的值与 0xFF 进行位与运算时，会将 byte 类型的值转换为一个无符号的整数，其范围为 0 到 255。
0xff 是一个十六进制的数，相当于二进制的 11111111，& 运算符的意思是：如果两个操作数的对应位为 1，则输出 1，否则为 0；由于 0xff 有 8 个 1，单个 byte 转成 int 其实就是将 byte 和 int 类型的 255 进行(&)与运算。
例如，如果我们有一个 byte 类型的变量 b，其值为 -1，那么 b & 0xFF 的结果就是 255。这样就可以将一个有符号的 byte 类型的值转换为一个无符号的整数。
& 运算是一种二进制数据的计算方式, 两个操作位都为1，结果才为1，否则结果为0. 在上面的 getBufIfOpen()[pos++] & 0xff 计算过程中, byte 有 8bit, 0XFF 是16进制的255, 表示的是 int 类型, int 有 32bit。如果 getBufIfOpen()[pos++] 为 -118, 那么其原码/反码/补码表示为

00000000 00000000 00000000 10001010  // 原码
11111111 11111111 11111111 11110101  // 反码
11111111 11111111 11111111 11110110  // 补码

0xFF 表示16进制的数据255, 原码, 反码, 补码都是一样的, 其二进制数据为

00000000 00000000 00000000 11111111

0xFF和-118的补码相&：

00000000 00000000 00000000 11110110

还原为原码：

00000000 00000000 00000000 10001010

其表示的 int 值为 138，可见将 byte 类型的 -118 与 0XFF 进行与运算后值由 -118 变成了 int 类型的 138，其中低8位和byte的-118完全一致。

3. 字符缓冲流

BufferedReader 类继承自 Reader 类，提供了一些便捷的方法，例如 readLine() 方法可以一次读取一行数据，而不是一个字符一个字符地读取。
BufferedWriter 类继承自 Writer 类，提供了一些便捷的方法，例如 newLine() 方法可以写入一个系统特定的行分隔符。

3.1 构造方法

BufferedReader(Reader in) ：创建一个新的缓冲输入流，注意参数类型为Reader。
BufferedWriter(Writer out)：创建一个新的缓冲输出流，注意参数类型为Writer。

实战代码：

// 创建字符缓冲输入流
BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("b.txt"));
// 创建字符缓冲输出流
BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("b.txt"));

3.2 独有的方法

字符缓冲流的基本方法与普通字符流调用方式一致，这里不再赘述，我们来看字符缓冲流特有的方法。

BufferedReader：String readLine(): 读一行数据，读取到最后返回 null
BufferedWriter：newLine(): 换行，由系统定义换行符。

来看readLine()实战：

// 创建流对象
BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("a.txt"));
// 定义字符串,保存读取的一行文字
String line  = null;
// 循环读取,读取到最后返回null
while ((line = br.readLine())!=null) {
    System.out.print(line);
    System.out.println("------");
}
// 释放资源
br.close();

newLine()实战：

// 创建流对象
BfferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("b.txt"));
// 写出数据
bw.write("你");
// 写出换行
bw.newLine();
bw.write("好");
bw.newLine();
bw.write("世");
bw.newLine();
bw.write("界");
bw.newLine();
// 释放资源
bw.close();

4. 字符缓冲流实战

来看这样一段文本test.txt：

6.岑夫子，丹丘生，将进酒，杯莫停。
1.君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回。
8.钟鼓馔玉不足贵，但愿长醉不愿醒。
3.人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。
5.烹羊宰牛且为乐，会须一饮三百杯。
2.君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。
7.与君歌一曲，请君为我倾耳听。
4.天生我材必有用，千金散尽还复来。

要求正确排序并输出到test2.txt。
来实战一把：

@Test
public void test005() throws IOException {
    BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("test.txt"));
    BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("test2.txt"));

    HashMap<String,String> map = new HashMap<>();
    String line;
    while((line = br.readLine()) != null){
        if(line.isEmpty()){
            continue;
        }
        String[] arr = line.split(Pattern.quote("."));
        map.put(arr[0],arr[1]);
    }
    for (int i = 1; i <= map.size(); i++) {
        String key = String.valueOf(i);
        String value = map.get(key);
        bw.write(key+"."+value);
        bw.newLine();
    }
    br.close();
    bw.close();
}

效果：