C# 基础知识系列- 14 IO篇之入门IO

0. 前言

在之前的章节中，大致介绍了C#中的一些基本概念。这篇我们将介绍一下C#的I/O操作，这将也是一个小连续剧。这是第一集，我们先来简单了解一下C#中的I/O框架。

1. 什么是I/O

I/O 的全称是input/output，翻译过来就是输入/输出。对于一个系统或者计算机来说，键盘、U盘、网络接口、显示器、音响、摄像头等都是IO设备。那么，对于一个程序I/O又是什么呢？

对于程序而言，I/O就是与外界进行数据交换的方式。借用一句广告词，程序不生产数据，只是数据的搬用工。当然，正如XX还需要对水进行过滤、消毒等工序一样，程序也要对数据进行运算，所以也不完全算是搬用工，严格来讲是加工厂。那么，I/O就是工厂的原料提供商和成品销售商。

在C# 中，I/O体系整体分为三个部分，后台存储流、装饰器流、流适配器，具体划分如下图所示：

在流与流之间，都是采用字节数据进行交换，所以可以得到一个简单的结论，I/O在程序中表现为字节流，换句话说I/O就是将各种数据转成字节的工具。

3. Stream 基类

C#中，所有流都是继承自Stream类，Stream类定义了流应该具有的行为和属性，使得开发人员可以忽略底层的操作系统和基础设备的具体细节。C#对流的处理忽略了读流和写流的区别，使其更像是一个管道，方便数据通信。流涉及到三个基本操作：

读取 - 将数据从流中传输到数据结构中

写入 - 将数据从数据源写入流中

查找 - 对流中操作的当前位置进行查找和修改

因为流的特性，可能并不是所有的流都支持这三种操作，所以Stream提供了三个属性，以方便确认流是否支持这三种操作：

public abstract bool CanRead { get; } // 获取指示当前流是否支持读取的值

public abstract bool CanWrite { get; } // 获取指示当前流是否支持写入功能的值

public abstract bool CanSeek { get; } // 获取指示当前流是否支持查找功能的值

以上这三个属性均由子类根据自身特性确认是否支持读取、写入、查找，可能三个属性不会都为true，但绝对不会都为false。

下面是一些常见的流：

FileStream 用来操作文件的流

MemoryStream 操作内存的流

BufferedStream 缓存流，用来增强其他流的操作性能

NetworkStream 使用网络套接字进行操作的流

PipeStream 通过匿名和命名管道进行读取和写入

CryptoStream 用于将数据流链接到加密转换

4. 操作

C# 中I/O的操作都属于System.IO这个命名空间，在这个命名空间中C# 定义了文件相关的类、各种流、装饰器流、适配器以及其他一些相关的结构体。在以System.IO开头的命名空间中，C#对IO进一步扩展，并提供了流压缩和解压缩（System.IO.Compression），搜索和枚举文件系统元素（System.IO.Enumeration），提供用于使用内存映射文件的类（System.IO.MemoryMappedFiles）等内容。

我们先略过之后篇幅会介绍的内容不提，先来看一下Stream类里重要的属性和方法：

1. 流里数据的长度

public abstract long Length { get; }

当Stream对象的CanSeek为true时，也就是流支持搜索的时候，可以通过这个属性确认流的长度，也就是有多少个字节的数据。

2. 流的位置

public abstract long Position { get; set; }

同长度的前提条件一致，当Stream对象支持搜索的时候，可以通过该属性确认流的位置或者修改流的位置。

3. 读取流里的数据

public abstract int Read (byte[] buffer, int offset, int count);

public virtual int ReadByte ();

这是两种不同的读取方式，第一种是每次读取多个字节的数据，第二个是每次只读一个字节的数据。这里来细细讲解一下区别：

public abstract int Read (byte[] buffer, int offset, int count);

表示流每次最多读取count个字节的数据，然后将数据放到buffer中，位置从下标为offset开始，并返回实际读取的字节数，如果流已经读完了，则返回0。这个过程中，Position会后移实际读取长度，如果流支持搜索，程序中可以调用这个属性。

所以这里就有会这样的一个限制：offset + count <= buffer.Length，换句话说，偏移量 + 最大读取数目不能大于缓存数组的长度。

因为这个方法返回一个实际读取长度，可能有人会这样判断是否读完：根据返回的结果与count比，如果返回的长度小于count则认为流已经读完；否则流还没读完。

有一些流可能会达成这样的效果，但是很多流并不能以此为依据来判断流是否读完，也许某一次读取长度小于count，然后再读一次发现又有数据了。这是因为IO在系统中属于高耗时操作，大部分情况下IO的性能和程序的运算速度相差甚远。所以经常会出现这样的情景：流的长度是100，给了长度为100的缓存字节数组，然后第一次读取了10个字节，第二次读取了5个字节，这样一点一点的把这100个字节读取到。

所以，必须以返回值为0作为流的读完判断依据。

public virtual int ReadByte ();

这个方法很简单，每次从流里读取一个字节的数据，如果读取完成返回-1。可能有人会疑惑了，这个方法明明是读取一个字节，也就是个byte，那为什么返回类型是int呢？很简单，因为byte没有负数，而int有。所以，当返回值不等于-1的时候，可以放心的类型转换为byte。

4. 把数据写入流

public abstract void Write (byte[] buffer, int offset, int count);

public virtual void WriteByte (byte value);

流的写入与读取相比就简单多了，至少我们不用判断流的位置。现在简单分析一下：

public abstract void Write (byte[] buffer, int offset, int count);

表示从buffer的offset下标开始，取count个字节写入流里。所以，对offset、count的限制依旧，和不能大于数组的长度。写入成功，流的位置会移动,否则将保持现有位置。

public virtual void WriteByte (byte value);

这个方法就更简单了，直接写一个字节给流。

5. 关闭或销毁流

流在操作完成之后，需要将其关闭以释放流所持有的文件或IO设备等资源。很多人在使用电脑的时候，不能用QQ发送在本地已经打开的excel文件，它会提示文件被占用无法传输。这就是因为Excel打开了这个文件，就持有一个文件相关的流，所以QQ无法发送。解决办法很简单，关掉excel软件即可。回到当前，也就是我们在使用完成之后必须关闭流。

那么我们该如何关闭流呢？调用以下方法：

public virtual void Close ();

C#虽然设置了Close方法，但是并不支持开发者在编写程序的时候手动调用Close方法，更推荐使用：

public void Dispose ();

这个方法会将释放流所持有使用的资源，并关闭流。

当前需要注意的一个地方是，在把流关闭或释放之前把流里的数据推送到基础设备，即调用：

public abstract void Flush ();

有一些流设置了自动推送功能，如果遇到这种流则不需要手动调用该方法。

对于流来说，一旦销毁或关闭，这个流就无法二次使用了，所以调用了Close、Dispose之后再次尝试读取/写入流都会报错

5. 本篇总结以及下篇预告

本篇内容大概介绍了一下C#的IO体系以及一些基本操作，下一篇将介绍如何操作文件。

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