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I/O Streams

Revised: Feb./23rd/2003; Since: Jan./5th/2002

プログラムでは一般に、多くの種類のデータを、多くの種類の入力先から取得して、多くの種類の出力先へ書き込む必要が考えられます。 Java では、これらのデータの入出力 (I/O) は一般にストリームとして解釈することになります。入力元へのストリームを開いて情報を読み込み、出力先へのストリームを開いて情報を書き込み、必要が無くなればそれらのストリームを閉じます。

これらのストリームを扱うための標準クラスライブラリは、 java.io パッケージから提供されます。これらのクラスは一般に、取り扱うデータの種類に応じて文字ストリームとバイトストリームの二つに分けられます。

そして、これらのストリームはオブジェクトとして扱われます。

ストリームとはなんだろうか

ストリームとはデータの直線的な流れという概念であり、現代的なプログラミング言語では、入出力をストリームとして扱います。

例えば、ディスク上のファイルに向かうストリームがあるとき、そこに書き込んだデータはファイルに出力されます。ネットワークから流れ込むストリームからはネットワーク越しのデータを受け取ることができます。プログラマはストリームに対する入出力を考えるだけで、その流れ行く果ての、実デバイスに対しては考えなくて良くなります。

JavaではデータI/Oにストリームという概念を使います。java.ioパッケージ内のストリーム・クラスは、大きく分けると、バイト・ストリーム、文字ストリーム、オブジェクト・ストリームの三つなります。JavaのI/Oは、全てストリームのオブジェクトとして実装します。

java.ioパッケージ内のクラスは、デバイスI/O、ネットワークI/Oなどが統一的な枠組みで設計されています。全てのストリームは、バイト・ストリーム、文字ストリーム、オブジェクト・ストリームに分けられ、次の6つの抽象クラス／インタフェースに基づきます。

OutputStream抽象クラス

全てのバイト出力ストリームのスーパークラス。write()でデータを書き込みます。

InputStream抽象クラス

全てのバイト入力ストリームのスーパークラス。read()でデータを読み込みます。

Writer抽象クラス

全ての文字出力ストリームのスーパークラス。write()で文字配列を書き込みます。

Reader抽象クラス

全ての文字入力ストリームのスーパークラス。read()で文字配列を読み込みます。

ObjectOutputStreamクラス

Serializableインタフェースを実装するクラス型のオブジェクトを連続するバイト列に変換（シリアライズ、直列化）したものとプリミティブ型データをOutputStreamに書き出す。

ObjectInputStreamクラス

ObjectOutputStreamで書き出したオブジェクトを読み込んで復元する。

Javaでは、文字は2バイトのUNICODEで表現されます。この点で、文字列処理においては、バイトの連続（シーケンス）であるバイト・ストリームは効率が悪く、文字ストリームが要求されました。また、オブジェクトをファイルやDBに格納したり、ネットワーク越しにやり取りしたりするために、オブジェクト・ストリームが必要となりました。

また、J2SE v1.4では、さまざまな要件に応えてjava.nioパッケージが追加されました。今後何年も使われるだろうパッケージを、敢えてNew I/Oと命名したことに、ストリームの枠組みは変更しないで、拡張機能だけをnioに実装する意図が読めます。

まずjava.ioのクラス群の利用を検討し、解決できない要件／要求が発生したときに、ユーティリティとしてnioパッケージも検討してください。本稿ではv1.3と共通のjava.ioパッケージのクラス群について紹介します。

ストリーム概説

java.ioのストリーム・クラスは要件に応じて多岐に渡ります。バイトストリームはInputStream/OutputStream、文字ストリームはReader/Writerを継承しています。詳細はAPI仕様書をご覧いただくとして、ここではその全体を概観してみます。

バイト・ストリームと文字ストリームには、お互いにカウンター・パートとなるクラスが存在するものがあります。次に、代表的なストリームに関するそれぞれの対応を示します。

java.io.*, java.swing.*などの代表的なストリームの階層構造は図3のようになります。非推奨のクラス、特殊なインタフェースやクラスなどは除いてあります。

図3. ストリームの階層構造（IDG Java 2 J2SE 1.4より転載）

• AudioInputStreamはjavax.soundパッケージに含まれる、オーディオ形式、長さを指定できるストリームです。
• CheckedInputStream/CheckedOutputStreamはjava.util.zipパッケージに含まれ、データの完全性を保障するチェックサムをサポートします。
• CipherInputStream/CipherOutputStreamはjavax.cryptoパッケージに含まれ、暗号化／復号化をサポートします。
• DigestInputStream/DigestOutputStreamはjava.securityパッケージに含まれ、固定長のハッシュコードの生成をサポートします。
• InflatorInputStream/DefratorOutputStreamはjava.util.zipパッケージに含まれる、圧縮／解凍用のデータ・ストリームです。
• ProgressMonitorInputStreamはjavax.swingパッケージに含まれるSwingコンポーネントで、読み込みの進捗を表すGUI部品です。

文字ストリーム

文字コード

Java では、文字は Unicode で扱います。 Unicode で文字符号化された文字セットは一文字が１６ビット（２バイト）で表現されます。そのコンピュータ上でのフォーマットは UTF と呼ばれます。因みに、 UTF は UCS Transformation Format であり、 UCS (Universal Character Set) を Transform した Format です。

下位７ビットは ASCII と互換性を持ちます。英米圏の ASCII で満足してきた人々は Unicode を Internationalization (I18N) を満足するものとして歓迎しています。しかし、日本や中国など、膨大な文字を必要とする言語圏での実用においては、多くの問題が指摘されており、必ずしも I18N のキラー・ソリューションではありません。

いずれにせよ、 JavaVM は文字／文字列の内部表現に Unicode を使い、入出力ではそのフォーマットである UTF を用います。

文字ストリーム

１６ビット文字を読み書きするストリームは文字ストリームと呼ばれています。

文字ストリームにも多くの種類が存在しますが、それらは、Reader クラスと Writer クラスをスーパークラスとするサブクラスになっています。因みに、 Reader/Writer クラスは抽象クラスであり、直接インスタンス化することはできません。

Reader
  |
  +--BufferedReader------LineNumberReader
  |
  +--CharArrayReader
  |
  +--InputStreamReader---FileReader
  |
  +--FilterReader--------PushBackReader
  |
  +--PipeReader
  |
  +--StringReader

Writer
  |
  +--BufferedWriter
  |
  +--CharArrayWriter
  |
  +--OutputStreamWriter--FileWriter
  |
  +--FilterWriter
  |
  +--PipeWriter
  |
  +--StringWriter

例えば、 Reader クラスは読み込みのためのメソッドを次のように定義しています。

int read()
int read(char cbuf[])
int read(char cbuf[], int offset, int length)

確かに１６ビット文字の読み込みになっています。同じく、 Writer クラスは書き込みのメソッドを次のように定義しており、１６ビット文字を扱っていることが分かります。

int write(int c)
int write(char cbuf[])
int write(char cbuf[], int offset, int length)

バイトストリーム

16ビット文字の I/O に対して、画像や音などのバイナリー・データを扱うストリームはバイトストリームと呼ばれています。これらのクラスは、 InputStream クラスと OutputStream から派生しています。

InputStream
  |
  +--FileInputStream
  |                         +--LineNumberInputStream
  +--PipedInputStream       |
  |                         +--DataInputStream
  +--FilterInputStream------|
  |                         +--BufferedInputStream
  +--ByteArrayInputStream   |
  |                         +--PushbackInputStream
  +--SequenceInputStream
  |
  +--StringBufferInputStream
  |
  +--ObjectInputStream

OutputStream
  |
  +--FileOutputStream
  |
  +--PipedOutputStream      +--DataOutputStream
  |                         |
  +--FilterOutputStream-----+--BufferedOutputStream
  |                         |
  +--ByteArrayOutputStream  +--PrintStream
  |
  +--ObjectOutputStream

Reader/Writer と同じく、 InputStream/OutputStream の読み込み／書き込みのメソッドを見てみましょう。

最初は InputStream クラスで定義されている読み込みのメソッドです：

int read()
int read(byte cbuf[])
int read(byte cbuf[], int offset, int length)

次に OutputStream の書き込みのメソッドの定義を見てみます。

int write(int c)
int write(byte cbuf[])
int write(byte cbuf[], int offset, int length)

どちらもバイト型でデータを取り扱っていることが分かります。

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