では，文字データ入出力系ストリームの解説をする。文字エンコーディング(文字コード)の変換例
も登場するので，しっかり勉強しよう。また，ファイルを配列の様に扱うランダムアクセスファイル
の基本も学習する。最後に，ファイルを扱う上で便利なクラス File と FileDescriptor について
も紹介する。

■知っておきたい「連結リスト」

　Javaの入出力ストリームの使い方において，「連結リスト(Linked List)」という構造が応用されている。
連結リストとは，下図右のように，複数のオブジェクトが参照値によって珠々繋ぎのように連結している
構造のことである。本格的にJavaの入出力ストリームの話しに入る前に，この連結リストについて解説し
ておく。

　連結リストは簡単に作成することができる。下図左のコード例の Reader クラスの定義を見てほしい。
Reader クラスは，メンバとしてReader型フィールド ( r )を持っている。もちろん，このフィールド には

　・Reader型オブジェクトへの参照値

が格納される。このように，そのクラス自身の型のフィールドを持っているクラス型を「自己参照型」
と呼ぶ。このとき，「サブクラスのオブジェクトはスーパークラスのオブジェクトとして扱える」
という is-a 関係により，実際にはこのフィールド( r )には，

　・Reader型およびそのサブクラス型( 下図では Start, Wrapper1, Wrapper2 )のオブジェクトへの参照値

を代入することができる。

また，このフィールド( r )は，Reader のサブクラス( Start, Wrapper1, Wrapper2 )にも継承されている
(下図の右上段)。このフィールド( r )は，下図左上の各クラスの定義のように，コンストラクタの実引数
に渡された「Reader型オブジェクトへの参照値」によって初期化される。

この性質のおかげで，これらのクラスのオブジェクトを参照値を使って自在に珠々状に繋いでいくこと
ができる(下図の右中段の手順(1)〜(3)，下図の右下段の例)。

　※なお，下図であげた連結リストの具体例の Readerクラスは抽象クラスとして定義されているので，
　　Reader型自体のオブジェクトは生成できない。「Reader型オブジェクト」とは，実際には「Reader
　　のサブクラスのオブジェクト」のことを表していることになる。

■3. 『文字データ入力系ストリーム』

　入出力ストリームを表すクラスを文字通り「ストリーム」と呼ぶことがある。
Fig.1に，文字データ入力ストリームを表すクラス群の関係を示す。
これらのクラスは java.io パッケージ所属である。



では，それぞれのストリームクラスを簡単に紹介していこう。

■3.1. 『スーパークラスReader』

　まず，すべての文字データ入力ストリームのスーパークラスとして，抽象クラス Reader が用意されて
いる。このため，文字データ入力ストリームのことを，単に“リーダ”と呼ぶこともある。Readerは，
文字データ入力ストリームが備えるべき基本的なメソッドを定義している抽象クラスである。
つまり，Fig.1 に示した Readerの全サブクラス(リーダ)はこれらのメソッドを持っている。

抽象クラス Reader のメソッドを Table 1 に示す。重要なメソッドとしては，使い終わったストリーム
をクローズする close メソッド，ストリームから文字を読み込む複数の readメソッド がある。
表下部に注記してあるように，これらReaderのメソッドはエラーが起こって本来の目的が達成できな
かった場合は，IOException型例外を投げることにも注意しよう。


　その他，入力データを指定した数だけ読み飛ばす skip メソッドもある。
　また，入力ストリームによっては，マーク機能を持つものもある。

■3.2. 『基本ストリームとラッパストリーム』

　では，Fig. 1 にもどって，今度は Reader のサブクラスを見てみよう。Fig.1 を再掲する(下図をクリック
すると授業で扱わないクラスは非表示になる)。



　Reader のサブクラスは，2つのグループわけられる。ひとつは，本当の意味でのストリームで，
文字データの入力源(キーボード・通信路・ファイルなどのハードウェア装置，文字列・文字配列
などの文字を格納しているデータ構造)と直接接続するストリームである。ここでは便宜的に
“基本ストリーム”と呼ぶことにする(下図)。



　もうひとつのグループは，他のストリームの後段に珠々繋ぎのように接続されて，ストリームに
付加機能をつけるためのストリームで，ここで便宜的に"ラッパストリーム(wrapper stream)"と呼ぶ
ことにする。

単独のラッパストリームオブジェクトの特徴を挙げると下図の様になる。実は，Readerは冒頭で紹介した自己参照型クラスなのである。




このように，ラッパストリームは Reader型参照値で入力元のリーダ(基本ストリームか他のラッパストリーム)
を珠々繋ぎにできる(下図)。これは連結リストに他ならず，Readerが自己参照型クラスであるおかげで連結リスト
を作ることができているわけである。


ラッパストリームを使ってリーダを珠々繋ぎにする，という仕組みの応用例を下図に示す。文章が多いように
見えるが，独習のために細かく書いてあるだけで授業での解説を聞けばアイディアはそれほど複雑ではない
ことが分かるだろう。



以上の，ラッパストリームに関する図(1)〜(4)をひとつにまとめた図はこちら。

ここで，入力ストリームオブジェクト(リーダ)を初期化し，そのストリームをオープンする
コンストラクタの引数について以下の表にまとめておく。

■3.3. 『文字入力用の基本ストリーム』

　では，文字入力用の基本ストリームから見ていこう。文字入力用の基本ストリームには，Fig.1(再掲)のように，
4つのストリームが用意されている。授業では，このうち InputStreamReader と FileReader のみ扱う。




■ InputStreamReader

　InputStreamReader は，ファイルを入力源とする基本ストリーム(リーダ)である。下図に InputStreamReader型リーダ
オブジェクトの「ファイルを入力源として直接接続した」概念的な姿とその真の姿を示す。InputStreamReader型リーダは
基本ストリームのはずなのに，ラッパストリームとして実現されているのは，文字データには，文字コード(文字エンコーディング)
の違いという問題があるためである。




このように，InputStreamReaderの実際の働きはラッパストリーム(直接接続されるデータ入力元が入力源ではない)なのだが，
文字データストリームの事実上の基本ストリームとして扱ってかまわない。

InputStreamReaderの主なコンストラクタと主なメソッドを下表に示す。

■FileInputStream

　なお，( InputStreamReaderの入力源である) InputStream には，接続する実際の入力源ごとにサブクラスが用意されている。
ここで，バイトデータ入力系ストリームのうち，今回話しに登場するクラスの継承関係の図を以下に示す(図をクリックすると
イトデータ入力系ストリームのすべてのクラスを表示する)。これらのクラスは java.io パッケージ所属である。
下図でもわかるとおり，ファイルをデータ入力源とするバイトデータ入力系の基本ストリームとしては，FileInputStream が
定義されているので，ファイルから文字を読み込むときにはこれをInputStreamReaderの入力元として利用する。


FileInputStream のコンストラクタを下表に示す。

■ FileReader

　FileReader は，InputStreamReader のサブクラスで，
　・入力源をファイルとする (つまり，指定されたファイルを入力源とするFileInputStream型オブジェクトを自動的にオープンして入力元とする)
　・入力源の文字エンコーディングをデフォルトエンコーディングであると仮定して入力を行う。
というクラスで，簡易的にファイルから文字入力できる。

　 ただし，FileReader は上記の様に入力源の文字エンコーディングをデフォルトエンコーディングであると仮定しているので，(デフォルトエン
コーディングの設定を変更しない限り)デフォルトエンコーディングで指定された文字コードで書かれたテキストファイルしか読めないので注意
しよう。

FileReader のコンストラクタを Table 2-(3) および以下の表に示す。

以下に，FileReader を利用した簡単なデフォルトエンコーディングによるテキストファイル読み込みの例を示す。
テキストファイル「AandB.txt」をダウンロードして，Eclipse で作成したプロジェクトフォルダの中に入れて実行してみよ。
本授業のインストールガイドでEclipseをインストールしていれば，デフォルトエンコーディングはおそらく UTF-8
である。そして，「AandB.txt」は UTF-8 で「AとBと」書かれているので，正しく読めるはずである。

import java.io.*;

class FileReaderTest {
    
    public static void main ( String [ ] args ) throws IOException {
        
        FileReader fr = null;
           
        try {
            fr = new FileReader( "AandB.txt" );
            int c = fr.read( ); // テキストファイルの中身の文字コードがデフォルトエンコーディングと同じと仮定して読み込む。
            while( c != -1 ) {  // readメソッドはストリーム終端に達して文字データを読めなかった場合は -1 を返すことを利用する。
                System.out.print( (char) c ); // readメソッドは int型として読み込んだ文字データを返してくるので，文字として扱う前にキャスト演算子でchar型に型変換する。
                c = fr.read( );
            }
        }
        catch( IOException ioe ) {
            System.out.println( ioe );
        }
        finally {
            if( fr != null ) fr.close( );
        }
        
    }

}

    int c = fr.read( );
    while( c != -1 ) {
        System.out.print( (char) c );
        c = fr.read( );
    }

    int c;
    while( ( c = fr.read( ) ) != -1 ) {
        System.out.print( (char) c );
    }

■3.5. 『テキストファイルの読み出し例』

　では，実際にテキストファイルから文字データを読み込んでみよう。

まず，Eclipseで Javaプロジェクトを新規作成する。次に読み込む対象のファイル AandB.txt をダウンロードして，
Eclipseのパッケージエクスプローラー内の作成したプロジェクトフォルダ内にドラッグ&ドロップしてコピーする。
プロジェクトフォルダの『src』フォルダと並ぶ形で登録できればOK。

作成したJavaプロジェクトに以下のソースプログラム TextReading.java を作成して実行してみよ。

ソースプログラム：TextReading.java



※まず，入出力ストリームの機能はほとんどエラーが起こったときに例外を投げるので，例外の枠組みを使って記述することに注意しよう。
①：java.io パッケージをインポートする。
②：mainメソッドに IOException例外を投げることを明示する例外指定を書いている。理由は後述する。
③：tryブロックの前で，使用するストリームオブジェクトを参照するための変数をnull を初期値として宣言しておく。この例では，
　　　FileInputStream, InputStreamReader, BufferedReader
　を使用する。
④：まず，入力源であるテキストファイルと接続するFileInputStream型の基本ストリームをオープンする。入力源の情報としてコンストラクタ
　 への実引数としてテキストファイル名を渡していることに注意。以下の様な状態になる。


⑤：入力元として④でオープンしたFileInputStream型ストリームへの参照値 fis と，文字エンコーディング"UTF8"を，コンストラクタの
　 実引数として渡し，InputStreamReader型ストリームをオープンしている。以下の様な状態になる。


⑥：入力元として⑤でオープンしたInputStreamReader型ストリームへの参照値 isr をコンストラクタの実引数として指定し，BufferedReader
　型ストリームをオープンする。以下の様な状態になる。これで，テキストファイルから文字データを行単位で読み込む準備が整った，。


⑦：BufferedReader型ストリーム br の readLineメソッドを呼び出して1行分読み込んで表示する。"AとBと"と表示されるはずである。
⑧〜⑨：発生する可能性のある例外をキャッチしてエラーへの対処を行う。ここでは単にキャッチした例外オブジェクトを表示しているだけ。
⑩：tryブロックの中の処理で例外が発生する・しないに関係無く，finallyブロック内で使い終わったすべてのストリームを入力源から遠い
　 ラッパストリームから順にクローズしていく。 一番入力源の遠いラッパストリーム BufferedReader型ストリーム br のcloseメソッドだけ呼べばいいと
　思うかもしれないが，もし BufferedReader型オブジェクトをオープンしようとすところでエラーが起こった場合，
　　　 if( br != null ) br.close( );
　だけでは， FileInputStream型ストリームと InputStreamReader型ストリームはクローズされないことになってしまう。
※③で，tryブロックの前でストリーム参照用の変数を宣言したのは，finallyブロックでこれらの変数を使用するため。
※②で，mainメソッドに IOException例外の例外指定をしたのは，finallyブロック内で呼び出す close メソッドが IOException例外を投げる
　可能性があるため。このままでは， finallyブロック内で呼び出す close メソッドで例外が発生した場合は，mainメソッドすなわちプログラム
　自体が強制終了するため，それを防ぎたい場合は，try-catch-finallyブロックをさらに tryブロックで囲み，この外部のtryブロックで
　IOException例外をキャッチするようにしよう。

なお，この例で，ファイル内容をすべて読み込んで表示する場合，

　・BufferedReaderのreadLineメソッドは，入力ストリームの終わりに達して読み込めなかった場合は null を返す

という性質を利用して，⑦の部分を

String aLine = br.readLine( );
while( aLine != null ) {
    System.out.println( aLine );
    aLine = br.readLine( );
}

String aLine;
while( (aLine = br.readLine( ) ) != null ) {
    System.out.println( aLine );
}

import java.io.*; 

class KeyInputTest {
    
    public static void main ( String [ ] args ) throws IOException {
        
        InputStreamReader isr = null; BufferedReader br = null;
        
        try {
            // 標準入力ストリーム System.in (通常はコンソールからのキーボード入力に接続されている)を入力源として
            // InputStreamReader型ストリームをオープンし，それを入力して BufferedReader型ストリームをオープンする。
            isr = new InputStreamReader( System.in ); 
            br  = new BufferedReader( isr ); 
            
            System.out.println( "キーボードから文字列を入力して改行して下さい。空行(何も入力せずに改行のみ行う)を入力したら繰り返し入力を終了する。" );
            // BufferedReader型ストリームの readLineメソッドを呼び出すと，コンソールウインドウでキー入力待ち状態に
            // なるので，キーボードで文字列をタイプして改行する(ENTERキーを押す)。すると，キーボードから入力した
            // 1行分の文字列を String型文字列として返してくれる。
            String aLine = br.readLine( ); 
            while( ! aLine.equals( "" ) ) { // 空行が入力されたら繰り返し入力を終了する。否定の演算子 ! に注意。
                System.out.println( "入力された文字列：" + aLine );
                aLine = br.readLine( );
            }
            System.out.println( "入力は終了しました。" );
        }
        catch ( IOException ioe ) {
            System.out.println( ioe );
        }
        finally {
            if( br  != null )  br.close( );
            if( isr != null ) isr.close( );
        }
        
    }

}

    String aLine = br.readLine( ); 
    while( ! aLine.equals( "" ) ) {
        System.out.println( "入力された文字列：" + aLine );
        aLine = br.readLine( );
    }

    String aLine;
    while( ! ( aLine = br.readLine( ) ).equals( "" ) ) {
        System.out.println( "入力された文字列：" + aLine );
    }

と書ける。


(2) キーボードからの文字列入力の簡易的な方法

　java.util パッケージの Scanner クラスを使用する。Scannerはストリームではないが，
　　・コンストラクタの実引数として入力源を指定してオープンする。
　　・使用し終わったら close メソッドを読んでクローズする必要がある。
という点では，文字データ入力の基本ストリームに似ている部分が有る。

Scannerを使うと，

　ファイル・ImputStream型ストリーム(キーボード入力(標準入力)含む)・String型文字列

などを入力源として文字列を読み込み，文字列や数値などを読み込むことができる。
非常に高機能なので，今回は1行分の文字列を読み込む例だけを示す。実行の様子は(1)と
同じである。

import java.util.Scanner;

class ScannerTest {
    
    public static void main ( String [ ] args ) {
 
        System.out.println( "キーボードから文字列を入力して改行して下さい。空行(何も入力せずに改行のみ行う)を入力したら繰り返し入力を終了します。" );
 
        Scanner scanner = new Scanner( System.in ); // 標準入力(普段はコンソール画面のキーボード入力に接続している)を入力源としてスキャナをオープンする。
        String aLine = scanner.nextLine( ); // Scanner の nextLineメソッドを呼び出すと，1行分の入力待ち状態になり，キーボードから1行分の文字列を入力できる。
        while( ! (aLine.equals( "" )) ) {
            System.out.println( "入力された文字列：" + aLine );
            aLine = scanner.nextLine( );
        }
        System.out.println( "入力は終了しました。" );
        scanner.close( );

    }

}

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