Слайд 1Механизмы
ввода и вывода
© Составление, Будаев Д.С., Гаврилов А.В., 2013
Лекция
5
УНЦ «Инфоком»
Самара
2013
Слайд 2План лекции
Потоки данных (streams)
Виды потоков и базовые классы
Разновидности потоков
Сериализация
Слайд 3Обмен данными
Разнообразие задач
Сетевые приложения
Обработка ввода с клавиатуры
Запись и считывание данных
из файлов
И еще множество других
Выделение системы ввода/вывода
Широкий спектр источников и
получателей
Различные форматы передачи данных
Слайд 4Традиционно, проблемы!
Ввод/вывод не должен зависеть от платформы!
Отделение логики однотипных операций
ввода/вывода от низкоуровневых операций
Применяется модель потоков данных:
упорядоченная последовательность данных,
которой соответствует
определенный источник (потоки ввода) или получатель (потоки вывода)
Слайд 5Потоки данных
Представляют собой объекты
Описываются специальными классами
Решают большинство типичных задач ввода/вывода
Базовые
классы работают
с байтовым представлением данных
с символьным представлением данных
Слайд 6Разновидности потоков
Потоки ввода
Потоки вывода
Потоки чтения
Потоки записи
Ввод
Вывод
Байтовые
Символьные
Слайд 7Структура пакета java.io
Типы общего назначения
Классы разновидностей потоков
Специализированные классы и интерфейсы
для ввода и вывода значений простых типов
Классы и интерфейсы работы
с файлами
Классы и интерфейсы механизма сериализации
Слайд 8InputStream
OutputStream
Reader
Writer
Разновидности потоков
Потоки ввода
Потоки вывода
Потоки чтения
Потоки записи
Ввод
Вывод
Байтовые
Символьные
Слайд 9Класс InputStream
abstract int read()
throws IOException
int read(byte[] b, int off, int len)
throws IOException
int read(byte[] b)
throws
IOException
long skip(long n)
throws IOException
int available()
throws IOException
void close()
throws
IOException
Слайд 10Класс OutputStream
abstract void write(int b)
throws IOException
void write(byte[] b, int off, int len)
throws IOException
void
write(byte[] b)
throws IOException
void flush()
throws IOException
void
close()
throws IOException
Слайд 11Класс Reader
int read()
throws IOException
abstract int read(char[] b, int off, int len)
throws
IOException
int read(char[] b)
throws IOException
long skip(long n)
throws IOException
boolean ready()
throws IOException
abstract void close()
throws IOException
Слайд 12Класс Writer
void write(int ch)
throws IOException
abstract void write(char[] b, int off, int len)
throws
IOException
void write(char[] b)
throws IOException
void write(String str, int off, int len)
throws
IOException
void write(String str)
throws IOException
abstract void flush()
throws IOException
abstract void close()
throws IOException
Слайд 13Классы потоков ввода и вывода
Образуют 4 иерархии, в основе которых
лежат базовые абстрактные классы
Имя любого дочернего класса в иерархии имеет
суффикс, совпадающий с именем корневого класса
По сути делятся на 2 вида:
«Реальные» потоки: источник (получатель) данных реален
Потоки-обертки: источником (получателем) данных является другой поток
Слайд 16Забавная особенность
Уже знакомые потоки:
System.out
System.in
System.err
Какого они типа?
Байтового!!! (для совместимости
с версиями
Java 1.0 и 1.1)
PrintStream
InputStream
PrintStream
Слайд 17Группа потоков Print
Обертки PrintStream и PrintWriter содержат методы, упрощающие задачу
вывода данных простых типов в текстовом виде
Методы print() и println()
не выбрасывают исключений
System.out и System.err – единственные потоки PrintStream
Слайд 18Группа байтовых потоков ByteArray
ByteArrayInputStream, ByteArrayOutputStream
В качестве источника и получателя данных
используются массивы байт
В потоке вывода размер буфера может меняться динамически
В
потоке вывода существуют методы преобразования:
к массиву байт
byte[] toByteArray()
к строке
String toString()
вывода в другой поток
void writeTo(OutputStream out)
Слайд 19Группа байтовых потоков ByteArray
byte[] bytes = {1, 0, -1};
ByteArrayInputStream in
= new ByteArrayInputStream(bytes);
System.out.println("first element: " + (byte) in.read());
System.out.println("second element: "
+ (byte) in.read());
System.out.println("third element: " + (byte) in.read());
first element: 1
second element: 0
third element: -1
ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
out.write(5);
out.write(10);
byte[] bytes = out.toByteArray();
Слайд 20Группы символьных потоков CharArray и String
CharArrayReader и CharArrayWriter аналогичны ByteArrayInputStream
и ByteArrayOutputStream, но оперируют с массивом символов
StringReader и StringWriter имеют
аналогичную функциональность, позволяют считывать символы из строки и записывать данные в строковый буфер
Слайд 21Группа потоков File
FileInputStream, FileReader
FileOutputStream, FileWriter
Позволяют трактовать файл как поток, предназначенный
для ввода и вывода данных
Связаны с исключениями FileNotFoundException и SecurityException
Конструкторы
могут получать параметры:
Строку String, задающую имя файла
Объект класса File
Объект FileDescriptor
(возвращается методом getFD() байтовых потоков)
Слайд 22Классы-трансляторы
Позволяют читать из байтового как из символьного и записывать в
байтовый поток как в символьный (с учетом кодировки)
InputStreamReader
InputStreamReader(InputStream in)
InputStreamReader(InputStream in,
String encoding)
throws UnsupportedEncodingException
OutputStreamWriter
OutputStreamWriter(OutputStream out)
OutputStreamWriter(OutputStream out, String encoding)
throws UnsupportedEncodingException
Слайд 23InputStreamReader и OutputStreamWriter
InputStream inputStream = new FileInputStream("c:\\input.txt");
Reader reader =
new InputStreamReader(inputStream, "UTF-8");
int data = reader.read();
while(data != -1){
char
с = (char) data;
data = reader.read();
}
reader.close();
OutputStream outputStream = new FileOutputStream("c:\\out.txt");
Writer writer = new OutputStreamWriter(outputStream, "UTF-8");
writer.write("The very first line");
writer.close();
Слайд 24Группа потоков Filter
FilterInputStream, FilterReader
FilterOutputStream, FiltrerWriter
Обертки, позволяют объединять потоки в цепочки
для получения сложных потоков, обладающих расширенным набором функций
Обладают дополнительными защищенными
конструкторами
protected FilterInputStream(InputStream in)
В наследниках обычно переопределяются методы чтения/записи с добавлением новой функциональности
Слайд 25Группа потоков Buffered
BufferedInputStream, BufferedReader
BufferedOutputStream, BufferedWriter
Обертки, осуществляют буферизацию данных на программном
уровне
Размер буфера можно задать в конструкторе
Символьные версии имеют методы чтения
строк и вставки символа новой строки:
readLine(), newLine()
Слайд 26Группа потоков Buffered
InputStream in = new BufferedInputStream(
new FileInputStream("c:\\in.bin"), 8 * 1024);
OutputStream out
= new BufferedOutputStream(
new FileOutputStream("c:\\out.bin"), 8 * 1024);
Reader input = new BufferedReader(
new FileReader("c:\\in.txt"), 8 * 1024);
Writer writer = new BufferedWriter(
new FileWriter("c:\\out.txt"), 8 * 1024);
BufferedReader input = new BufferedReader(
new InputStreamReader(System.in));
String s = input.readLine();
System.out.println("Input string is: " + s);
Слайд 27Группа потоков Piped
PipedInputStream, PipedReader
PipedOutputStream, PipedWriter
Используются в виде пар ввода-вывода
Данные, переданные
в поток вывода, служат источником для потока ввода
Например, реализуют механизм
обмена данными между нитями
Поток-пара задается параметром конструктора либо с помощью метода connect()
Слайд 28Группа потоков Piped
InputStream input = new PipedInputStream(pipedOutputStream);
int data = input.read();
while(data
!= -1) {
doSomethingWithData(data);
data = input.read();
}
input.close();
OutputStream pipedOutputStream = new
PipedOutputStream();
while(moreData) {
int data = getMoreData();
pipedOutputStream.write(data);
}
output.close();
Слайд 29Класс StreamTokenizer
Не является потоком чтения, но позволяет обрабатывать информацию из
них
Содержит методы лексической обработки текста
Ряд методов предназначен для настройки работы
анализатора
Метод nextToken() производит обработку очередной лексемы, после чего:
Поле ttype содержит константу типа лексемы
Поля nval и sval содержат числовое и строковое представление лексемы
Слайд 30Класс StreamTokenizer
StreamTokenizer tokenizer = new StreamTokenizer(
new StringReader("This is example string"));
while(tokenizer.nextToken()
!= StreamTokenizer.TT_EOF){
if(tokenizer.ttype == StreamTokenizer.TT_WORD) {
System.out.println(tokenizer.sval);
} else if(tokenizer.ttype
== StreamTokenizer.TT_NUMBER) {
System.out.println(tokenizer.nval);
} else if(tokenizer.ttype == StreamTokenizer.TT_EOL) {
System.out.println();
}
}
Слайд 31Группа байтовых потоков Data
Интерфейсы DataInput и DataOutput содержат объявления методов
ввода и вывода значений простых типов
void writeLong(long v), void writeFloat(float
v)
boolean readBoolean(), String readUTF()
Обертки DataInputStream и DataOutputStream, соответственно, реализуют эти интерфейсы
Класс RandomAccessFile реализует оба интерфейса Data и позволяет работать с файлами в режиме произвольного доступа
Слайд 32Группа байтовых потоков Data
DataInputStream input = new DataInputStream(
new FileInputStream("binary.file"));
int byteVal
= input.read();
int intVal = input.readInt();
float floatVal = input.readFloat();
double doubleVal = input.readDouble();
input.close();
DataOutputStream output = new DataOutputStream(
new FileOutputStream("binary.file"));
output.write(10); //byte data
output.writeInt(1000); //int data
output.writeDouble(1000.123); //double data
output.close();
Слайд 33Класс File
Инкапсулирует платформенно-независимые методы работы с файлами и директориями:
создание, переименование,
удаление
проверка типа пути: файл или каталог
проверка атрибутов файлов и каталогов
проверка
существования файлов и каталогов
Позволяет создавать временные файлы, удаляемые при завершении работы программы
Определяет доступ лишь к метаданным файловой системы
для чтения или записи используются потоки данных
Слайд 34Класс File
File obj = new File("D:\\data");
if (obj.mkdir() && obj.exists()) {
obj = new File("D:\\data\\file.txt");
if (obj.createNewFile() && obj.exists()) {
File newObj = new File("D:\\data\\newfile.txt");
obj.renameTo(newObj);
System.out.println("Can write is " +
newObj.canWrite() + " for file " + newObj.getPath());
newObj.delete();
}
obj = obj.getParentFile();
obj.delete();
}
Слайд 35Пример записи
в текстовый файл
import java.io.*;
public class TextWrite {
public
static void main(String[] args) {
int[] values = {1,
2, 3, 4, 5};
try {
PrintWriter out = new PrintWriter(new
BufferedWriter(new FileWriter("out.txt")));
for (int i = 0; i < values.length; i++) {
out.println(values[i]);
}
out.close();
}
catch(IOException e) {
System.out.println("Some error occurred!");
}
}
}
1
2
3
4
5
31 0D 0A
32 0D 0A
33 0D 0A
34 0D 0A
35 0D 0A
out.txt
Текстовая форма
out.txt
Байтовая форма
Слайд 36Пример чтения из
текстового файла и из консоли
import java.io.*;
public class TextRead
{
public static void main(String[] args) {
int[] values
= new int[5];
try {
BufferedReader in = new BufferedReader(new
FileReader("in.txt")); //InputStreamReader(System.in));
for (int i = 0; i < values.length; i++) {
values[i] = Integer.parseInt(in.readLine());
}
in.close();
}
catch(IOException e) {
System.out.println("Some error occurred!");
}
}
}
Слайд 37Пример записи
в байтовый файл
import java.io.*;
public class ByteWrite {
public
static void main(String[] args) {
int[] values = {1,
2, 3, 4, 5};
try {
DataOutputStream out = new DataOutputStream(new FileOutputStream("out.bin"));
for (int i = 0; i < values.length; i++) {
out.writeInt(values[i]);
}
out.close();
}
catch(IOException e) {
System.out.println("Some error occurred!");
}
}
}
☺ ☻ ♥
♦ ♣
00 00 00 01
00 00 00 02
00 00 00 03
00 00 00 04
00 00 00 05
out.bin
Текстовая форма
out.bin
Байтовая форма
Слайд 38Пример чтения
из байтового файла
import java.io.*;
public class ByteRead {
public static
void main(String[] args) {
int[] values = new int[5];
try {
DataInputStream in = new DataInputStream(new
FileInputStream("out.bin"));
for (int i = 0; i < values.length; i++) {
values[i] = in.readInt();
}
in.close();
}
catch(IOException e) {
System.out.println("Some error occurred!");
}
}
}
Слайд 39Соответствие классов для байтовых и символьных потоков
Слайд 40Соответствие классов для байтовых и символьных потоков
Слайд 41Сериализация объектов
Сериализация – процесс преобразования состояния объекта в бинарный формат
(например, в файл или поток)
Десериализация – восстановление состояния объекта из
бинарных данных
Не все объекты могут быть сериализованы
Класс должен быть подготовлен к сериализации
Слайд 42Сериализация объектов
Сериализованный объект можно сохранить в файл или передать по
сети
После передачи объект можно восстановить, то есть десериализовать
Сериализацию и десериализацию
можно производить в разных JVM
Широкое применение сериализации при создании распределенных приложений
Слайд 43Группа байтовых потоков Object
Класс ObjectOutputStream реализует сериализацию
Класс ObjectInputStream реализует десериализацию
Классы
позволяют выводить и вводить графы объектов с сохранением структуры
Результатом десериализации
является объект, равнозначный исходному
Слайд 44Пример сериализации в файл
import java.io.*;
public class SerializationWrite {
public static
void main(String[] args) {
int[] values = {1, 2,
3, 4, 5};
try {
ObjectOutputStream out = new
ObjectOutputStream(new
FileOutputStream("out.bin"));
out.writeObject(values);
out.close();
}
catch(IOException e) {
System.out.println("Some error occurred!");
}
}
}
AC ED 00 05 75 72 00 02 5B 49 4D BA 60 26 76 EA B2 A5 02 00 00 78 70 00 00 00 05 00 00 00 01 00 00 00 02 00 00 00 03 00 00 00 04 00 00 00 05
┐н♣ur☻[IМє`&vк__☻ xp ♣ ☺ ☻ ♥ ♦ ♣
out.bin
Текстовая форма
out.bin
Байтовая форма
Слайд 45Пример десериализации
из файла
import java.io.*;
public class SerializationRead {
public static
void main(String[] args) {
int[] values;
try {
ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new
FileInputStream("out.bin"));
values = (int[])in.readObject();
in.close();
}
catch(IOException e) {
System.out.println("Some error occurred!");
}
catch(ClassNotFoundException e) {
System.out.println("Wrong object type");
}
}
}
Слайд 46Сравнение исходного и восстановленного объектов
При сравнении методом equals состояний исходного
и десериализованного объектов ожидается значение true
System.out.println(objSave.equals(objRead));
System.out.println(objSave == objRead);
При непосредственном сравнении
ссылок объектов оператором == результат будет равен значению false
Слайд 47Подготовка классов
к сериализации
Должен реализовываться интерфейс-маркер java.io.Serializable
Все сериализуемые поля должны иметь
сериализуемый тип
Родительский класс должен иметь конструктор по умолчанию (без параметров)
или быть подготовленным к сериализации
Сериализуются поля объекта, не обозначенные как transient или static
Слайд 48Порядок сериализации и десериализации
В нисходящем порядке по древовидной иерархии типов:
от первого сериализуемого класса до частного типа
Объекты, на которые ссылаются
поля, сериализуются в порядке обнаружения
Перед десериализацией выполняется загрузка участвующих классов (возможен выброс исключения ClassNotFoundException)
Слайд 49Пример иерархии классов
class Class1 extends Object {
private int state1
= 1;
public int getState1() { return state1; }
public
void setState1(int s1) { this.state1 = s1; }
}
class Class2 extends Class1 implements Serializable {
protected int state21 = 21;
private int state22 = -1;
public int getState22() { return state22; }
public void setState22(int s22) { this.state22 = s22; }
}
class Class3 extends Class2 {
public int state3 = 3;
}
Слайд 50Результаты десериализации
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("output.bin");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
Class3
c3 = new Class3();
c3.setState1(2); c3.setState22(22);
oos.writeObject(c3);
FileInputStream fis = new FileInputStream("output.bin");
ObjectInputStream ois
= new ObjectInputStream(fis);
Class3 c3Read = (Class3) ois.readObject();
System.out.println("state3: " + c3Read.state3);
System.out.println("state21: " + c3Read.state21);
System.out.println("state22: " + c3Read.getState22());
System.out.println("state1: " + c3Read.getState1());
state3: 3
state21: 21
state22: 22
state1: 1
Слайд 52Порядок десериализации
Object
Class1
Class2
Class3
Serializable
Object
Class1
Class2
Class3
state1
state21
state22
state3
Сериализованное состояние объекта класса Class3
Class3:
(Class2)
state21
state22
(Class3)
state3
Слайд 53Сериализация
связанных объектов
Если сериализуемый объект ссылается на другие объекты, их
необходимо сохранять
Строится граф сериализации, включающий все связанные объекты
Нескольким ссылкам на
один объект соответствует только один объект графа
Если встречен несериализуемый объект, генерируется NotSerializableException
Слайд 54Настройка сериализации
Для изменения работы механизма сериализации на уровне вашего класса
в нем надо описать методы:
реализация сериализации
private void writeObject(ObjectOutputStream out)
throws
IOException
реализация десериализации
private void readObject(ObjectInputStream in)
throws IOException, ClassNotFoundException
Уровень доступа методов позволяет им независимо работать в разных классах в иерархиях наследования
Можно не переписывать чтение/запись полностью, а лишь изменить порядок записи полей и их формат
(методы ObjectOutputStream.writeFields() и ObjectInputStream.readFields())
Слайд 55Настройка сериализации
public class ExampleClass implements Serializable {
public transient
int var1 = 111;
private static final ObjectStreamField[] serialPersistentFields
= {
new ObjectStreamField("var1", Integer.TYPE)
};
private void readObject(ObjectInputStream in)
throws IOException, ClassNotFoundException {
ObjectInputStream.GetField fields = in.readFields(); //magic!!!
var1 = fields.get("var1", 0);
}
private void writeObject(ObjectOutputStream out) throws IOException {
ObjectOutputStream.PutField fields = out.putFields(); //magic!!!
fields.put("var1", var1);
out.writeFields();
}
}
Слайд 56Контроль версий
Каждый класс имеет уникальный идентификатор номера версии – 64
битовое значение long
По умолчанию значение рассчитывается как функция от
кода класса (включая методы)
Несовпадение версий при десериализации объекта выбрасывает исключение InvalidClassException
Схему можно обойти, явно введя в класс поле
private static final long
serialVersionUID = ...;
Слайд 58Дополнительные источники
Арнолд, К. Язык программирования Java [Текст] / Кен Арнолд,
Джеймс Гослинг, Дэвид Холмс. – М. : Издательский дом «Вильямс»,
2001. – 624 с.
Вязовик, Н.А. Программирование на Java. Курс лекций [Текст] / Н.А. Вязовик. – М. : Интернет-университет информационных технологий, 2003. – 592 с.
Хорстманн, К. Java 2. Библиотека профессионала. Том 1. Основы [Текст] / Кей Хорстманн, Гари Корнелл. – М. : Издательский дом «Вильямс», 2010 г. – 816 с.
Эккель, Б. Философия Java [Текст] / Брюс Эккель. – СПб. : Питер, 2011. – 640 с.
JavaSE at a Glance [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/overview/index.html, дата доступа: 21.10.2011.
JavaSE APIs & Documentation [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/documentation/api-jsp-136079.html, дата доступа: 21.10.2011.