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文件操作和IO ——Java

news 来源：原创 2025/8/22 23:10:35

初识文件

首先文件分为：
1.狭义的文件 – 保存在硬盘上的文件。
2.广义的文件 – 操作系统进行资源管理的一种机制。很多的软件/硬件资源，抽象成“文件”来进行表示。
（println => 控制台，scanner => 控制台的标准输入）
当前咋们主要谈的是狭义的文件。

我们简单说说硬盘内存 cpu寄存器分别在存储空间访问速度成本和持久化上的不同点
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其中硬盘分为机械硬盘和固态硬盘，固态硬盘（通常读写速度，1s几百GB）不管是速度还是价格都比机械硬盘（读写速度，1s几个MB）高上不少。

计算机中，目录套目录，构成了树形结构（N叉树）
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一台计算机中，能够保存的文件是很多的，那如何区分/识别唯一的一个文件呢？ => 路径（定位到文件的一系列过程）
从树根开始，到最终的文件，中间都需要经历哪些目录，把这些目录记录下来，就够成“路径”。路径中一般使用 / （路径分隔符）来分割路径中的多级目录。
在主流的操作系统中，都是使用 / 来分割的。但是 Windows 是例外。Windows / 和 \ 都支持（但是 Windows 默认使用 \）。
不过写代码的时候，涉及到路径，建议写成 / 。因为写成 \ 早字符串中就需要转义的。
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路径分为相对路径和绝对路径：
从树形结构的角度来看，树中的每个结点都可以被一条从根开始，一直到达的结点的路径所描述，而这种描述方式就被称为文件的绝对路径；除了可以从根开始进行路径的描述，我们可以从任意节点出发，进行路径的描述，而这种描述方式就被称为相对路径，相对于当前所在结点的一条路径。（相对路径需要明确一个“基准路径”）
例：

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虽说谈到相对路径，要先明确基准路径。
但是如果在代码中写一个“相对路径”，那基准路径是谁呢？？
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在这里面中，基准路径是谁？不确定，这个取决于你程序允许的方式！
确认基准路径：
1.在 IDEA 中直接运行，基准路径就是项目的目录。
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2.打一个 jar 包，单独运行 jar 包（后面说）
当前在哪个目录下执行运行命令（jar -jar jar包名），基准目录就是哪个目录。
3.如果是打成一个 war 包，放到 tomcat 中运行，此时基准目录就是tomcat的 bin 目录（未来再说）

文件的种类：

从开发的角度，把文件分为两类：
1.文本文件
2.二进制文件
（大前提，所有的文件都是二进制的（冯诺依曼大佬最初定下的规矩），但有一些文件是特殊的，二进制数据刚好能构成字符（不仅是ascii）== 二进制数据恰好都在码表上能够查到，并且翻译过来的字符能够构成有意义的信息。）
实际开发中判断某个文件是否是文本，有个简单粗暴的方法：
直接使用记事本打开（记事本就是按照文本的方式来打开的，自动进行查码表，翻译），打开之后不是乱码，能看懂，就是文本文件，如果打开之后是乱码，看不懂，就是二进制文件。

Java中操作文件

Java标准库提供了一系列的类来操作文件：

文件系统操作（创建文件，删除文件，重命名，创建目录…）
文件内容操作（针对一个文件的内容进行读和写了）

文件系统操作：

Java 中通过 java.io.File 类来对⼀个⽂件（包括⽬录）进⾏抽象的描述。注意，有 File 对象，并不代表真实存在该⽂件。
我们来看看File 类常见的构造方法和方法：
构造方法：
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常见方法：

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代码示例：
案例1：
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有个要注意的是，如果构造方法中传的路径是相对路径，那么getpath方法得到的就是相对路径，如果构造方法传的是绝对路径的话，那么getpath方法得到的就是绝对路径。
getCanonicalPath（会抛出异常）就是getAbsolutePath的简化版本，把路径中间的 . 或者 … 给干掉。

案例2：
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creatNewFile方法会抛出异常：
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那啥样的情况会出现异常呢？
1.硬盘满了
2.没有权限
3.硬盘坏了（cpu和内存非常抗造的，硬盘相比之下就脆弱很多，尤其是机械硬盘）

案例3：
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观察deletOnExit方法;
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deleteOnExit 是等进程结束后再删除文件。

进程退出时删除文件的使用场景：
在 word，ppt，excel 做一些大作业时，当你写了很多内容，突然，你的电脑没电了，然后文档也没保存。但是当你再次打开word，word提示你是否要恢复上次未保存的内容。
office 系列的产品，都会在你编辑文档的过程中，产生一个隐藏的临时文件，这个临时文件就会同步实时保存你正在编辑的内容。
如果你的office 正常关闭了，此时这个临时文件就会自动删除（deleteOnExit），下次启动office，认为你上次是正常保存的，不会提示。
如果office异常关闭（突然断电），这个临时文件就任然存在，下次启动 office ，就可以从这个临时文件中，恢复你上次正在编辑的内容
（类似于这样的功能，服务器端也会涉及到，一些临时性的文件）

案例4：
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list 只是列出当前目录里面的子元素，无法列出子目录中的内容（也就是孙子元素）。
list得到是文件名（String）（不推荐），listFiles得到的是 File 对象，包含更多的操作。（推荐）

案例5：
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注：mkdir无法创建多级目录，只能创建一级。
但mkdirs（）可以解决这个问题，可以创建多级目录。

案例6：
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重命名还能起到“移动”的作用
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从操作系统的角度来看，重命名和移动操作本质是一样的，这个移动操作通常速度极快（如果你的移动操作跨硬盘了（不是跨C盘D盘这种），此时就相当于复制 + 删除，此时的速度就慢了），复杂度O（1）。
复制文件，复杂度就是O（n）。文件/目录里所有的数据，遍历，再写入写的文件/目录。

文件内容操作：

读写文件
Java 中针对文件内容的操作，主要是通过一组“流对象”来实现的
那是什么是“流”？
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因此，计算机中针对读写文件，也是使用流（Stream）词。流是操作系统层面的术语，和语言无关。各种编程语言操作文件，都叫流。
Java中提供了一组类，表示流。有几十个，很多，这里就讲几个重要的。

针对上述几十个流，分为两个大类：

字节流：读写文件，以字节为单位，是针对二进制文件使用的。
InputStream 输入从文件读数据
OutputStream 输出往文件写数据
字符流：读写文件，以字符为单位，是针对文本文件使用的。
Reader 输入从文件读数据
Writer 输出往文件写数据
（字节 != 字符，一个字符可能是对应多个字节？？ => 不确定，这个是取决于编码方式（字符集））
Java中的其他流对象，都是直接或间接继承这些类。

什么叫输入，什么叫输出：
根据数据的流向：
从硬盘 => CPU 输入
从CPU => 硬盘输出

InputStream

InputStream 只是⼀个抽象类，要使⽤还需要具体的实现类。关于 InputStream 的实现类有很多，基本可以认为不同的输⼊设备都可以对应⼀个 InputStream 类，我们现在只关⼼从⽂件中读取，所以使⽤ FileInputStream。
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FileInputStream的构造方法：

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这里的创建对象操作，一旦成功，就相当于“打开文件”。类似C语言的 fopen。
毕竟，操作系统定义的流程，就是先打开，然后才能读写。认为打开操作，就是根据文件路径，定位到对应的硬盘空间。
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关闭文件操作。（非常重要）
类似内存一样，像C++，申请内存，释放内存（手动挡），对于Java，内存只要申请就行了，释放交给 GC 自动完成（自动档）。
但是文件资源不同于内存资源，虽然 GC 能够自动管理内存，但是不能自动管理文件，需要我们自己手动释放，如果不手动释放，就会引起“文件资源泄露”，类似于“内存泄漏”。
为了避免写代码的时候忘记写close方法，我们可以这样写代码：
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但是，还有一个问题，上述代码有点繁琐，也就是有点“丑”。为了更进一步，我们可以用到 try with resources 语法来使代码更简洁一点。
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只要出了 try 就会自动调用 close 方法。
当然，也不是所有类都能写到 try 的（）内，这里要求这个类需要实现 Closable 接口。
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约定好这个类一定有 close 方法，可以让 JVM 自动调用。

InputStream 的一些常用方法：
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例子：
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有的时候，这样写出的代码会报错，原因就是在该路径上没有此文件。
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我们在demo文件中写个 “hello”，看看能打印出什么。
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为什么呢？
因为read无参数版本，是按照字节读取的，一个一个字节取出来，分别打印的，每个字节的范围是 0 - 255 ，而 hello 是纯英文，根据 ASCII 码表，转换成10 进制。就是那5 个数字了。（十进制是正常的，八进制是 0 开头，十六进制是 0x开头）
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我们现在把demo文件换成“你好”，看看能打印出什么结果。
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结果：
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这是根据utf-8编码的，一个汉字是3个字节，所以“你好”就一个六个字节。
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这样子看不吃来，我们把结果换成十六进制。（一个十六进制数字就是 4 bit ，两个十六进制数字就是 1个字节）
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从上到下就是 ”你好“ 的十六进制编码。

接下来使用第二种read（byte[] b）方法
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输出结果和上面是一样的
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我们要提一下这一段代码：
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这个代码是使用参数作为方法的返回值，它在 C++中非常常见，但在Java中就比较少见了。它也被称为“输出型参数”。也就是刚创建的时候，我的数组是空的，n也为 0，但是通过read这个方法， data 和 n 上面就变成一些有意义的数据了。
有的时候也会使用参数来接受返回值，毕竟在Java中，如果参数是引用类型，方法内部修改对象内容，是能够影响到方法外部的。
其实，输出型参数，本质上还是语法上制约了我们的发挥。Java C++中，要求一个方法只能有一个返回值，如果希望返回多个数据（上述 read 就是希望同时返回长度和数组内容）就只能通过参数来凑了，但同样的问题，在 Python ，GO是不存在的。都支持一个函数同时返回多个值。

OutputStream

OutputStream的一些常用方法：
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注：
第一个write 的参数类型是 int 。为什么不是byte 呢？
因为参数的取值范围是 0 - 255，如果用 byte 类型， byte 的取值范围是 -128 -> 127，但是 Java中没有 unsigned 类型，byte类型就不能完全包含，所以就用int 了。

代码案例：
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这中间关于 OutputStream 还有一个知识：
我们在上述代码，再多写几个 write，再看看 demo 文件内容会发生什么变化。
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代码运行了两次，按照我们的期望来说，demo 文件中的内容应该是 abcabcdef ，但为什么只有 abcdef 呢？第一次的abc 去哪里了呢？
这是因为对于 OutputStream 来说，是会清除上次的文件内容的，打开文件的一瞬间，上次的文件就清空了。就像 C 语言中，按照写方式打开文件，也会有同样的特性，这是操作系统的行为，与语言无关。（而且对于 OutputStream 来说，默认情况下会尝试创建不存在的文件，也就是你给OutputStream 传的文件路径中，如果没有该文件没有创建，OutputStream 会自动创建该文件）
对于该问题，我们可以追加写的模式（也就是在传入一个参数true，默认情况是false），来避免内容被清空。
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Reader（和 InputStream 一样，只不过适用的场景不同）

Reader 的常用方法：
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代码案例：
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注：
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read 返回的相当于是一个 char，两个字节，所以上面的 “你”“好”分别是两个字节。但是这里就有一个问题了，砸门在前面使用字节流读取的时候，这里的“你”“好”都是 3 个字节。这里面是不是有什么问题呢？
其实，字符流和字节流的两个代码，都是对的，不矛盾的。字节流读到的是文件中原始的数据，在硬盘上保存文件的时候，就是 6 个字节，utf8 编码。字符流在读取的时候，就会根据文件的内容编码格式，进行解析，read（）一次，就会读到3个字节（按照utf8解析的），返回的时候，针对3个字节进行转码了，拿着3个字节utf8的码表“你”汉字，read就把 “你”这个汉字在 Unicode 这个码表中再次查询了一次，得到Unicode的编码值，最终把 Unicode 的编码值返回到 char 变量中（两个字节）。
不过，这里会自动进行转码。转码也是有性能开销的，所以字节流比字符流快，确实也是毋庸置疑的。

Writer（和OutputStream一样）

Writer的常用方法：
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代码案例（和OutputStream一样不清楚的可以参照OutputStream的案例）：
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当然，和OutputStream一样，每次调用Writer 都会清除上次的文件内容。如果想要保存上次文件内容，也是多传入一个参数 true。

小小的总结一下：

1.流对象的使用流程
先打开，再读写，最后关闭。
2.应该使用哪个流对象？
先区分文件是文本文件还是二进制文件，再区分读还是写。

看到这，顺便再提一个别的小知识点 = 缓冲区
缓冲区，通常就是一段内存空间，他是用来提高程序的效率。
通常如果直接读写硬盘，是比较低效的（硬盘速度慢），因此有的时候，就希望减少读写文件的次数。因此在进行 IO 操作的时候，就希望能够使用缓冲区，把要写的数据，先放到缓冲区里攒一波，再一起写，或者读的时候，也不是一个一个的读，一次读一批数据，到缓冲区中，再慢慢解析。
当前 IO 流对象，read 和 write 就属于直接读文件了。要想要提高效率：
1.写代码的时候，手动创建缓冲区（byte[]），手动减少 read write 次数。
2.使用标准库提供的“缓冲区流” BufferStream ，就是把 InputStream 之类的对象套上一层。（就是用起来比较麻烦）

初识文件

文件的种类：

Java中操作文件

文件系统操作：

文件内容操作：

InputStream

OutputStream

Reader（和 InputStream 一样，只不过适用的场景不同）

Writer（和OutputStream一样）

小小的总结一下：

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