Golang io详解

by · 2018年05月14日 · 5453 Words · ~11min reading time | Improve on


原文链接： Golang io详解

勿以浮沙筑高台

io包中最重要的是两个接口：Reader和Writer

Reader接口

type Reader interface {
    Read(p []byte) (n int ,err error)
}

#####官方文档中关于该接口方法的说明#####

Read 将 len(p) 个字节读取到 p 中。它返回读取的字节数 n（0 <= n <= len(p)） 以及任何遇到的错误。即使 Read 返回的 n < len(p)，它也会在调用过程中使用 p 的全部作为暂存空间。若一些数据可用但不到 len(p) 个字节，Read 会照例返回可用的数据，而不是等待更多数据。

Read 在成功读取 n > 0 个字节后遇到一个错误或 EOF (end-of-file)，它就会返回读取的字节数。它会从相同的调用中返回（非nil的）错误或从随后的调用中返回错误（同时 n == 0）。 一般情况的一个例子就是 Reader 在输入流结束时会返回一个非零的字节数，同时返回的 err 不是 EOF 就是nil。无论如何，下一个 Read 都应当返回 0, EOF。

调用者应当总在考虑到错误 err 前处理 n > 0 的字节。这样做可以在读取一些字节，以及允许的 EOF 行为后正确地处理 I/O 错误

PS: 当Read方法返回错误时，不代表没有读取到任何数据，可能是数据被读完了时返回的io.EOF。

Reader 接口的方法集（Method_sets）只包含一个 Read 方法，因此，所有实现了 Read 方法的类型都实现了io.Reader接口，也就是说，在所有需要io.Reader 的地方，可以传递实现了 ｀Read() 方法的类型的实例。

Writer 接口

type Writer interface {
Write(p []byte) (n int, err error)
}

官方文档中关于该接口方法的说明：

Write 将 len(p) 个字节从 p 中写入到基本数据流中。它返回从 p 中被写入的字节数 n（0 <= n <= len(p)）以及任何遇到的引起写入提前停止的错误。若 Write 返回的 n < len(p)，它就必须返回一个 非nil 的错误。
io.File

os.File同时实现了io.Reader和io.Writer接口。
在os包中有三个可导出的特殊文件(os.File)实例：Stdin、Stdout和Stderr,自然也实现了 io.Reader 和 io.Writer.
实现了 io.Reader 或 io.Writer 接口的类型

os.File 同时实现了 io.Reader 和io.Writer
strings.Reader 实现了 io.Reader
bufio.Reader/Writer 分别实现了 io.Reader 和 io.Writer
bytes.Buffer 同时实现了 io.Reader 和 io.Writer
bytes.Reader 实现了 io.Reader
compress/gzip.Reader/Writer 分别实现了 io.Reader 和 io.Writer
crypto/cipher.StreamReader/StreamWriter 分别实现了 io.Reader 和 io.Writer
crypto/tls.Conn 同时实现了 io.Reader 和 io.Writer
encoding/csv.Reader/Writer 分别实现了 io.Reader 和 io.Writer
mime/multipart.Part 实现了 io.Reader
io.LimitedReader、io.PipeReader、io.SectionReader 实现了io.Reader
io.PipeWriter 实现了io.Writer

PS: Go接口的命名约定：接口名以 er 结尾。注意，这里并非强行要求，你完全可以不以 er 结尾。标准库中有些接口也不是以 er 结尾的。
ReaderAt 和 WriterAt 接口

type ReaderAt interface {
  ReadAt(p []byte,off int64) (n int ,err error)
}

官方文档说明

ReadAt 从输入源的偏移量off处开始，将len(p)个字节读取到p 中，它返回读取的字节数 n（0 <= n <= len(p)）以及任何遇到的错误。

当 ReadAt 返回的 n < len(p) 时，它就会返回一个 非nil 的错误来解释 为什么没有返回更多的字节。在这一点上，ReadAt 比 Read 更严格。
即使 ReadAt 返回的 n < len(p)，它也会在调用过程中使用 p 的全部作为暂存空间。若一些数据可用但不到 len(p) 字节，ReadAt 就会阻塞直到所有数据都可用或产生一个错误。 在这一点上 ReadAt 不同于 Read。
若 n = len(p) 个字节在输入源的的结尾处由 ReadAt 返回，那么这时 err == EOF 或者 err == nil。
若 ReadAt 按查找偏移量从输入源读取，ReadAt 应当既不影响
基本查找偏移量也不被它所影响。
ReadAt 的客户端可对相同的输入源并行执行 ReadAt 调用。

######io.WriterAt 接口######

type Writer interface {
WriterAt(p []byte, off int64) (n int, err error) {
}

官方文档说明

WriteAt 从 p 中将 len(p) 个字节写入到偏移量 off 处的基本数据流中。它返回从 p 中被写入的字节数 n（0 <= n <= len(p)）以及任何遇到的引起写入提前停止的错误。若 WriteAt 返回的 n < len(p)，它就必须返回一个 非nil 的错误。

若 WriteAt 按查找偏移量写入到目标中，WriteAt 应当既不影响基本查找偏移量也不被它所影响。

若区域没有重叠，WriteAt 的客户端可对相同的目标并行执行 WriteAt 调用。

ReaderFrom 和 WriterTo 接口

type ReaderFrom interface {
    ReaderFrom(r Reader) (n int64, err error)
}

官方文档说明：

ReadFrom 从 r 中读取数据，直到 EOF 或发生错误。其返回值 n 为读取的字节数。除 io.EOF 之外，在读取过程中遇到的任何错误也将被返回。

如果 ReaderFrom 可用，Copy 函数就会使用它。

PS: ReadFrom 方法不会返回 err == EOF。

下面的例子简单的实现将文件中的数据全部读取（显示在标准输出）：

file, err := os.Open("writeAt.txt")
if err != nil {
    panic(err)
}
defer file.Close()
writer := bufio.NewWriter(os.Stdout)
writer.ReadFrom(file)
writer.Flush()

也可以通过 ioutil.ReadFile 函数获取文件全部内容， ioutil.ReadFile 内部通过ReadFrom方法实现。
如果不通过 ReadFrom 接口来做这件事，而是使用 io.Reader 接口，我们有两种思路：######

先获取文件的大小（File 的 Stat 方法），之后定义一个该大小的 []byte，通过 Read 一次性读取
定义一个小的 []byte，不断的调用 Read 方法直到遇到 EOF，将所有读取到的 []byte 连接到一起

type WriterTo interface {
    WriterTo(w Writer) (n int64, err error)
}

官方文档说明

WriteTo 将数据写入 w 中，直到没有数据可写或发生错误。其返回值 n 为写入的字节数。 在写入过程中遇到的任何错误也将被返回。

如果 WriterTo 可用，Copy 函数就会使用它

如果有“一次性从某个地方读或写到某个地方去。”这样的需求，可以考虑使用这两个接口：io.ReaderFrom 和 io.WriterTo.

Seeker 接口

type Seeker interface {
Seek(offset int64, whence int) (ret int64, err error)
}

官方文档说明:

Seek 设置下一次 Read 或 Write 的偏移量为 offset，它的解释取决于 whence： 0 表示相对于文件的起始处，1 表示相对于当前的偏移，而 2 表示相对于其结尾处。 Seek 返回新的偏移量和一个错误，如果有的话。

也就是说，Seek 方法用于设置偏移量的，这样可以从某个特定位置开始操作数据流。听起来和 ReaderAt/WriteAt 接口有些类似，不过 Seeker 接口更灵活，可以更好的控制读写数据流的位置。

简单的示例代码：获取倒数第二个字符（需要考虑 UTF-8 编码，这里的代码只是一个示例）

reader := strings.NewReader("Go语言学习园地")
reader.Seek(-6, os.SEEK_END)
r, _, _ := reader.ReadRune()
fmt.Printf("%c\n", r)```

whence 的值，在 os 包中定义了相应的常量

const (
SEEK_SET int = 0 // seek relative to the origin of the file
SEEK_CUR int = 1 // seek relative to the current offset
SEEK_END int = 2 // seek relative to the end
)```
Closer接口#####

type Closer interface {

Close() error

}```
该接口只有一个 Close() 方法，用于关闭数据流。

#####ByteReader 和 ByteWriter#####
这组接口的用途：读或写一个字节。接口定义如下：

type ByteReader interface {
ReadByte() (c byte, err error)
}

type ByteWriter interface {
WriteByte(c byte) error
}```

在标准库中，有如下类型实现了 io.ByteReader 或 io.ByteWriter:

bufio.Reader/Writer 分别实现了io.ByteReader 和 io.ByteWriter
bytes.Buffer 同时实现了 io.ByteReader 和 io.ByteWriter
bytes.Reader 实现了 io.ByteReader
strings.Reader 实现了 io.ByteReader

eg:

var ch byte
fmt.Scanf("%c\n", &ch)

buffer := new(bytes.Buffer)
err := buffer.WriteByte(ch)
if err == nil {

fmt.Println("写入一个字节成功！准备读取该字节……")
newCh, _ := buffer.ReadByte()
fmt.Printf("读取的字节：%c\n", newCh)

} else {

fmt.Println("写入错误")

}```
接口的使用.... 在二进制数据或归档压缩时用的比较多

#####ByteScanner、RuneReader 和 RuneScanner#####

######ByteScanner 接口的定义:######

type ByteScanner interface {
ByteReader // 内嵌了 ByteReader 接口
UnreadByte() error
}```
UnreadByte 方法的意思是：将上一次 ReadByte 的字节还原，使得再次调用 ReadByte 返回的结果和上一次调用相同，也就是说，UnreadByte 是重置上一次的 ReadByte。注意，UnreadByte 调用之前必须调用了 ReadByte，且不能连续调用 UnreadByte。

RuneReader 接口和 ByteReader 类似，只是 ReadRune 方法读取单个 UTF-8 字符，返回其 rune 和该字符占用的字节数。该接口在 regexp 包有用到。

RuneScanner 接口和 ByteScanner 类似
ReadCloser、ReadSeeker、ReadWriteCloser、ReadWriteSeeker、ReadWriter、WriteCloser 和 WriteSeeker 接口#####

这些接口是上面介绍的接口的两个或三个组合而成的新接口。例如 ReadWriter 接口：

type ReadWriter interface {

Reader
Writer

}```
这是 Reader 接口和 Writer 接口的简单组合（内嵌）。

这些接口的作用是：有些时候同时需要某两个接口的所有功能，即必须同时实现了某两个接口的类型才能够被传入使用。可见，io 包中有大量的“小接口”，这样方便组合为“大接口”。

######SectionReader 类型#####

SectionReader 是一个 struct（没有任何导出的字段），实现了 Read, Seek 和 ReadAt，同时，内嵌了 ReaderAt 接口。结构定义如下：

type SectionReader struct {
r ReaderAt // 该类型最终的 Read/ReadAt 最终都是通过 r 的 ReadAt 实现
base int64 // NewSectionReader 会将 base 设置为 off
off int64 // 从 r 中的 off 偏移处开始读取数据
limit int64 // limit - off = SectionReader 流的长度
}```
从名称我们可以猜到，该类型读取数据流中部分数据。看一下

func NewSectionReader(r ReaderAt, off int64, n int64) *SectionReader```

的文档说明就知道了：

NewSectionReader 返回一个 SectionReader，它从 r 中的偏移量 off 处读取 n 个字节后以 EOF 停止。

也就是说，SectionReader 只是内部（内嵌）ReaderAt 表示的数据流的一部分：从 off 开始后的 n 个字节。

这个类型的作用是：方便重复操作某一段 (section) 数据流；或者同时需要 ReadAt 和 Seek 的功能。

######LimitedReader 类型######

type LimitedReader struct {
R Reader // underlying reader，最终的读取操作通过 R.Read 完成
N int64 // max bytes remaining
}```
文档说明如下：

从 R 读取但将返回的数据量限制为 N 字节。每调用一次 Read 都将更新 N 来反应新的剩余数量。
也就是说，最多只能返回 N 字节数据。

LimitedReader 只实现了 Read 方法（Reader 接口）。

使用示例如下：

content := "This Is LimitReader Example"
reader := strings.NewReader(content)
limitReader := &io.LimitedReader{R: reader, N: 8}
for limitReader.N > 0 {

tmp := make([]byte, 2)
limitReader.Read(tmp)
fmt.Printf("%s", tmp)

}```
输出：

This Is```
可见，通过该类型可以达到 只允许读取一定长度数据 的目的。

在 io 包中，LimitReader 函数的实现其实就是调用 LimitedReader：

func LimitReader(r Reader, n int64) Reader { return &LimitedReader{r, n} }```

######PipeReader 和 PipeWriter 类型######
PipeReader（一个没有任何导出字段的 struct）是管道的读取端。它实现了 io.Reader 和 io.Closer 接口。

关于 Read 方法的说明：从管道中读取数据。该方法会堵塞，直到管道写入端开始写入数据或写入端关闭了。如果写入端关闭时带上了 error（即调用 CloseWithError 关闭），该方法返回的 err 就是写入端传递的error；否则 err 为 EOF。

PipeWriter（一个没有任何导出字段的 struct）是管道的写入端。它实现了 io.Writer 和 io.Closer 接口。

关于 Write 方法的说明：写数据到管道中。该方法会堵塞，直到管道读取端读完所有数据或读取端关闭了。如果读取端关闭时带上了 error（即调用 CloseWithError 关闭），该方法返回的 err 就是读取端传递的error；否则 err 为 ErrClosedPipe。

######io 包 管道 (pipe) 源码分析######
PipeWriter 和 PipeReader 都只有i一个不可导出的成员p *pipe,这两种类型的所有方法都是调用了 pipe 类型对应的方法实现的。

pipe类型的定义：

// A pipe is the shared pipe structure underlying PipeReader and PipeWriter.
type pipe struct {
rl sync.Mutex // gates readers one at a time
wl sync.Mutex // gates writers one at a time
l sync.Mutex // protects remaining fields
data []byte // data remaining in pending write
rwait sync.Cond // waiting reader
wwait sync.Cond // waiting writer
rerr error // if reader closed, error to give writes
werr error // if writer closed, error to give reads
}```

字段说明：

rl/wl 用于控制同一时刻只能有一个读取器或写入器
l 用于保护其他字段
data 在管道中的数据
rwait/wwait sync.Cond 类型（后续会讲解），分别控制读取器或写入器等待
rerr/werr 读取器（写入器）关闭，该错误会被 Write (Read) 方法返回
.
.
.

Copy 和 CopyN 函数######

Copy 函数的签名：

func Copy(dst Writer, src Reader) (written int64, err error)
文档说明：

Copy 将 src 复制到 dst，直到在 src 上到达 EOF 或发生错误。它返回复制的字节数，如果有的话，还会返回在复制时遇到的第一个错误。

成功的 Copy 返回 err == nil，而非 err == EOF。由于 Copy 被定义为从 src 读取直到 EOF 为止，因此它不会将来自 Read 的 EOF 当做错误来报告。

若 dst 实现了 ReaderFrom 接口，其复制操作可通过调用 dst.ReadFrom(src) 实现。此外，若 src 实现了 WriterTo 接口，其复制操作可通过调用 src.WriteTo(dst) 实现。

eg1:

io.Copy(os.Stdout, strings.NewReader("Hello World!))```
eg2:

// 直接将内容输出（写入 Stdout 中）
func main() {
io.Copy(os.Stdout, os.Stdin)
fmt.Println("Got EOF -- bye")
}```
CopyN 函数的签名：######

func CopyN(dst Writer, src Reader, n int64) (written int64, err error)```

函数文档：

CopyN 将 n 个字节从 src 复制到 dst。 它返回复制的字节数以及在复制时遇到的最早的错误。由于 Read 可以返回要求的全部数量及一个错误（包括 EOF），因此 CopyN 也能如此。
若 dst 实现了 ReaderFrom 接口，复制操作也就会使用它来实现。

#####ReadAtLeast 和 ReadFull 函数#####

######ReadAtLeast 函数签名######

func ReadAtLeast(r Reader, buf []byte, min int) (n int, err error)```
函数文档：

ReadAtLeast 将 r 读取到 buf 中，直到读了最少 min 个字节为止。它返回复制的字节数，如果读取的字节较少，还会返回一个错误。若没有读取到字节，错误就只是 EOF。如果一个 EOF 发生在读取了少于 min 个字节之后，ReadAtLeast 就会返回 ErrUnexpectedEOF。若 min 大于 buf 的长度，ReadAtLeast 就会返回 ErrShortBuffer。对于返回值，当且仅当 err == nil 时，才有 n >= min。

一般可能不太会用到这个函数。使用时需要注意返回的 error 判断。
ReadFull函数签名######

func ReadFull(r Reader,buf []byte) (n int,err error)```
函数文档：

ReadFull 精确地从 r 中将 len(buf) 个字节读取到 buf 中。它返回复制的字节数，如果读取的字节较少，还会返回一个错误。若没有读取到字节，错误就只是 EOF。如果一个 EOF 发生在读取了一些但不是所有的字节后，ReadFull 就会返回 ErrUnexpectedEOF。对于返回值，当且仅当 err == nil 时，才有 n == len(buf)。

注意该函数和 ReadAtLeast 的区别：ReadFull 将 buf 读满；而 ReadAtLeast 是最少读取 min 个字节。

#####WriteString 函数#####

func WriteString(w Writer, s string) (n int, err error)```
当 w 实现了 WriteString 方法时，直接调用该方法，否则执行 w.Write([]byte(s))。
MultiReader 和 MultiWriter 函数#####

在 io 包中定义了两个非导出类型：mutilReader 和 multiWriter，它们分别实现了 io.Reader 和 io.Writer 接口。类型定义为：

type multiReader struct {

readers []Reader

}

type multiWriter struct {

writers []Writer

}```

MultiReader 和 MultiWriter 定义：

func MultiReader(readers ...Reader) Reader
func MultiWriter(writers ...Writer) Writer```
它们接收多个 Reader 或 Writer，返回一个 Reader 或 Writer。
MultiReader 只是逻辑上将多个 Reader 组合起来，并不能通过调用一次 Read 方法获取所有 Reader 的内容。在所有的 Reader 内容都被读完后，Reader 会返回 EOF。
TeeReader函数#####

函数签名如下：

func TeeReader(r Reader, w Writer) Reader```

TeeReader 返回一个 Reader，它将从 r 中读到的数据写入 w 中。所有经由它处理的从 r 的读取都匹配于对应的对 w 的写入。它没有内部缓存，即写入必须在读取完成前完成。任何在写入时遇到的错误都将作为读取错误返回。
也就是说，我们通过 Reader 读取内容后，会自动写入到 Writer 中去。例子代码如下：

reader := io.TeeReader(strings.NewReader("Hello Go!"), os.Stdout)reader.Read(make([]byte, 9))```
输出结果：

Hello Go!```
这种功能的实现其实挺简单，无非是在 Read 完后执行 Write。

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