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Java IO `InputStream` 详解及源码解析
Java的InputStream是所有字节输入流的抽象基类，位于java.io包中，提供了从数据源（如文件、网络连接、内存等）读取字节数据的基本接口。本文将详细解析InputStream的核心概念、常用方法、设计模式及源码实现。
一、核心概念
1. 作用
InputStream是Java IO体系中字节输入流的顶层抽象，定义了读取字节数据的标准方法，所有具体的字节输入流类（如FileInputStream、ByteArrayInputStream、SocketInputStream等）都继承自它。
2. 数据源类型
InputStream的数据源可以是：
文件（FileInputStream）内存（ByteArrayInputStream）网络连接（Socket.getInputStream()）管道（PipedInputStream）其他流（如BufferedInputStream包装其他流）
二、常用方法
1. 核心读取方法
// 读取下一个字节（0-255），返回-1表示流结束
public abstract int read() throws IOException;
// 读取数据到字节数组b，返回实际读取的字节数
public int read(byte b[]) throws IOException;
// 读取len个字节到数组b的off位置开始，返回实际读取的字节数
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException;
2. 其他重要方法
// 跳过n个字节，返回实际跳过的字节数
public long skip(long n) throws IOException;
// 返回可以读取的字节数估计值
public int available() throws IOException;
// 关闭流，释放资源
public void close() throws IOException;
// 标记当前位置，配合reset()使用
public synchronized void mark(int readlimit);
// 重置到上次mark()的位置
public synchronized void reset() throws IOException;
// 判断是否支持mark/reset功能
public boolean markSupported();
三、源码解析
1. 抽象方法 read()
public abstract int read() throws IOException;
作用：读取下一个字节数据，返回值为0-255的整数，若返回-1表示流结束。实现要求：所有子类必须实现此方法，它是InputStream最核心的方法。
2. 批量读取方法 read(byte[] b)
public int read(byte b[]) throws IOException {
return read(b, 0, b.length);
}
作用：将数据读取到字节数组b中，调用了read(b, 0, b.length)的重载方法。
3. 核心重载方法 read(byte[] b, int off, int len)
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
if (b == null) {
throw new NullPointerException();
} else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {
throw new IndexOutOfBoundsException();
} else if (len == 0) {
return 0;
}
int c = read(); // 调用抽象方法read()
if (c == -1) {
return -1;
}
b[off] = (byte)c;
int i = 1;
try {
for (; i < len ; i++) {
c = read(); // 循环调用read()
if (c == -1) {
break;
}
b[off + i] = (byte)c;
}
} catch (IOException ee) {
// 异常处理
}
return i;
}
实现逻辑：
检查参数合法性。调用read()读取第一个字节。循环调用read()将数据填充到数组b中，直到读取len个字节或流结束。
性能问题：直接使用此方法效率较低，因为每次只读取一个字节，建议使用BufferedInputStream包装以提高性能。
4. skip() 方法实现
public long skip(long n) throws IOException {
long remaining = n;
int nr;
if (n <= 0) {
return 0;
}
int size = (int)Math.min(MAX_SKIP_BUFFER_SIZE, remaining);
byte[] skipBuffer = new byte[size];
while (remaining > 0) {
nr = read(skipBuffer, 0, (int)Math.min(size, remaining));
if (nr < 0) {
break;
}
remaining -= nr;
}
return n - remaining;
}
实现逻辑：
创建一个临时缓冲区skipBuffer。循环读取数据到缓冲区，直到跳过指定的字节数n。
5. available() 方法
public int available() throws IOException {
return 0;
}
默认实现：返回0，表示无法提前知道可用字节数。子类重写：如FileInputStream会返回文件剩余未读的字节数。
6. close() 方法
public void close() throws IOException {}
默认实现：空方法，因为抽象类无需释放资源。子类重写：如FileInputStream会关闭文件句柄，SocketInputStream会关闭网络连接。
四、设计模式
1. 模板方法模式
InputStream定义了核心方法的骨架（如read(byte[])调用read()），具体实现由子类完成，符合模板方法模式。
2. 装饰器模式
FilterInputStream及其子类（如BufferedInputStream、DataInputStream）通过包装其他InputStream实现功能增强，符合装饰器模式。
五、常见子类
1. FileInputStream
从文件读取数据，直接关联底层文件描述符。
2. ByteArrayInputStream
从内存字节数组读取数据，无需进行IO操作，适用于测试和数据处理。
3. BufferedInputStream
通过缓冲区提高读取性能，减少实际IO次数。
4. DataInputStream
用于读取基本数据类型（如int、double），需配合DataOutputStream使用。
5. ObjectInputStream
用于反序列化对象，实现Java对象的持久化。
六、使用示例
1. 读取文件内容
try (InputStream is = new FileInputStream("test.txt")) {
byte[] buffer = new byte[1024];
int bytesRead;
while ((bytesRead = is.read(buffer)) != -1) {
System.out.write(buffer, 0, bytesRead);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
2. 使用缓冲流提高性能
try (InputStream is = new FileInputStream("test.txt");
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(is)) {
int data;
while ((data = bis.read()) != -1) {
// 处理数据
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
七、注意事项
资源管理：InputStream使用完毕后必须调用close()关闭，建议使用try-with-resources语句自动关闭。性能优化：直接使用read()单字节读取效率低，建议使用BufferedInputStream或批量读取方法。阻塞特性：传统IO是阻塞的，若需非阻塞IO，可使用java.nio包中的FileChannel或SocketChannel。
总结
InputStream作为Java IO体系的基础组件，定义了字节输入流的标准接口，通过抽象方法和模板模式为子类提供了统一的操作框架。理解其设计思想和源码实现，有助于高效使用各种具体流类，并在需要时自定义扩展。
