【Java源码阅读系列33】深度解读Java FilterReader 源码

FilterReader 是 Java I/O 体系中字符输入流的核心抽象类，位于 java.io 包下。它与 FilterWriter（字符输出流）、FilterOutputStream（字节输出流）共同构成 Java I/O 的「装饰器模式」基础框架，旨在通过动态组合扩展字符输入流的功能。本文将结合源码，从类结构、设计模式、核心方法实现等角度，深入解析 FilterReader 的设计思想。

一、类定义与核心结构

1. 类继承关系与核心成员

public abstract class FilterReader extends Reader {
    protected Reader in; // 被装饰的底层字符输入流

    protected FilterReader(Reader in) {
        super(in); // 调用父类 Reader 的构造方法（传递锁对象）
        this.in = in;
    }
}

• 继承链：FilterReader 继承自抽象类 Reader（所有字符输入流的基类），强制子类实现字符读取的核心能力。
• 组合设计：通过 protected Reader in 持有一个底层字符输入流实例（如 FileReader、StringReader），这是装饰器模式的核心特征——通过组合而非继承扩展功能。
• 抽象性：类被声明为 abstract，无法直接实例化，必须由子类（如 BufferedReader、PushbackReader）提供具体实现。

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二、设计模式：装饰器模式的字符输入流实践

1. 装饰器模式的核心逻辑

装饰器模式的核心是在不修改原始对象的前提下，动态叠加功能。其关键要素包括：

• 接口一致性：装饰器与被装饰对象实现相同接口（或继承相同抽象类），保证行为一致；
• 功能委托：装饰器默认将请求转发给被装饰对象，子类通过重写方法添加额外逻辑；
• 灵活组合：通过嵌套装饰器，实现多种功能的自由组合（如「缓冲+回退+编码转换」）。

2. FilterReader 如何体现装饰器模式？

• 接口一致性：FilterReader 继承自 Reader，与所有字符输入流（如 FileReader）共享 read、skip、mark 等核心方法，确保装饰器与原始流可以无缝替换。
• 基础功能委托：所有方法（如 read()、skip(long n)）默认直接调用底层流 in 的对应方法（如 in.read()），将基础字符读取功能委托给被装饰对象。
• 扩展开放性：子类通过重写方法实现功能扩展（例如 BufferedReader 重写 read 方法添加缓冲逻辑，PushbackReader 重写 read 实现字符回退），符合「开闭原则」（对扩展开放，对修改关闭）。

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三、核心方法源码解析

FilterReader 的方法设计高度统一，核心逻辑均是将请求转发给底层流 in，以下是关键方法的详细分析：

1. read()：读取单个字符

public int read() throws IOException {
    return in.read(); // 直接委托给底层流读取单个字符
}

该方法将单个字符的读取操作直接转发给底层流 in。返回值为读取的字符（int 类型，范围 0-65535），若到达流末尾则返回 -1。子类可重写此方法添加过滤逻辑（例如 CipherReader 可在此解密字符）。

2. read(char[] cbuf, int off, int len)：读取字符到数组

public int read(char cbuf[], int off, int len) throws IOException {
    return in.read(cbuf, off, len); // 委托给底层流读取指定区间的字符
}

此方法将字符读取到数组的指定区间，返回实际读取的字符数（若到达流末尾则返回 -1）。默认实现不做任何额外处理，子类（如 BufferedReader）会重写此方法，先从内部缓冲区读取字符，缓冲区不足时再从底层流批量加载数据，减少 I/O 次数。

3. skip(long n)：跳过指定数量的字符

public long skip(long n) throws IOException {
    return in.skip(n); // 委托底层流跳过字符
}

跳过 n 个字符后，后续读取操作将从跳过的位置继续。底层流（如 FileReader）的 skip 方法通常通过移动文件指针实现，而装饰器子类（如 BufferedReader）可能通过调整缓冲区指针优化此操作。

4. ready()：判断流是否可立即读取

public boolean ready() throws IOException {
    return in.ready(); // 委托底层流判断是否就绪
}

返回 true 表示流已准备好立即读取（例如缓冲区有数据或底层流支持非阻塞读取）。子类可重写此方法（如 BufferedReader 若缓冲区有数据则直接返回 true，无需等待底层流）。

5. mark(int readAheadLimit) 与 reset()：标记与重置

public void mark(int readAheadLimit) throws IOException {
    in.mark(readAheadLimit); // 委托底层流标记位置
}

public void reset() throws IOException {
    in.reset(); // 委托底层流重置到标记位置
}

mark 方法在流中标记一个位置，reset 方法将流重置到该位置（仅当流支持标记时有效）。子类（如 BufferedReader）可扩展此功能，例如在缓冲区中保存标记位置，避免直接调用底层流的 mark（可能不支持）。

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四、子类扩展示例：以 BufferedReader 为例

BufferedReader 是 FilterReader 的典型子类（实际 JDK 中 BufferedReader 直接继承 Reader，但设计思想一致），通过添加字符缓冲区优化读取效率：

public class BufferedReader extends Reader {
    private char[] cb; // 字符缓冲区
    private int nChars; // 缓冲区总容量
    private int nextChar; // 缓冲区当前读取位置
    private Reader in; // 底层字符输入流

    public int read(char[] cbuf, int off, int len) throws IOException {
        if (len == 0) return 0;
        // 优先从缓冲区读取
        if (nextChar >= nChars) {
            fill(); // 缓冲区空，从底层流加载数据到缓冲区
            if (nextChar >= nChars) return -1; // 底层流无数据
        }
        // 计算可读取的字符数（缓冲区剩余量与请求量的较小值）
        int avail = nChars - nextChar;
        int cnt = (avail < len) ? avail : len;
        System.arraycopy(cb, nextChar, cbuf, off, cnt);
        nextChar += cnt;
        return cnt;
    }

    private void fill() throws IOException {
        // 从底层流读取数据到缓冲区
        int n = in.read(cb, 0, cb.length);
        if (n > 0) {
            nChars = n;
            nextChar = 0;
        }
    }
}

通过重写 read 方法，BufferedReader 优先从缓冲区读取字符，仅当缓冲区无数据时才调用底层流的 read 方法批量加载数据。这种「预加载-缓冲读取」机制显著减少了 I/O 操作次数，提升了字符输入效率。

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五、设计思想总结

1. 装饰器模式的普适性：
   FilterReader 与 FilterWriter、FilterOutputStream 共同构成 Java I/O 的装饰器基础框架，分别处理字符输入、字符输出、字节输出的功能扩展。这种设计使得开发者可以通过嵌套装饰器（如 new BufferedReader(new InputStreamReader(new FileInputStream("a.txt")))）灵活组合「缓冲+编码转换+文件读取」等功能，避免了继承链膨胀。

2. 抽象类的职责分离：
   FilterReader 作为抽象装饰器，仅定义基础行为（转发请求），将具体功能扩展（如缓冲、回退、字符转换）交给子类实现。这种「抽象基类定义框架，子类实现细节」的设计，符合「单一职责原则」。

3. I/O 流的可组合性：
   由于所有过滤字符输入流都基于 FilterReader 或其设计思想，开发者可以根据需求动态叠加功能。例如：

   Reader reader = new FileReader("data.txt");        // 基础文件读取流
   Reader bufferedReader = new BufferedReader(reader); // 缓冲功能（提升读取效率）
   Reader pushbackReader = new PushbackReader(bufferedReader); // 回退功能（允许读取后撤销）
   

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六、总结

FilterReader 是 Java 字符输入流体系中装饰器模式的核心实现，通过「继承+组合」的方式，为字符流的功能扩展提供了灵活的基础框架。理解其设计思想，不仅能深入掌握 Java I/O 流的运行机制，更能学会如何通过设计模式解决实际开发中「动态功能扩展」的问题。