Java 字节流的read()方法返回int型而非byte型的原因

我们都知道java中io操作分为字节流和字符流，对于字节流，顾名思义是按字节的方式读取数据，所以我们常用字节流来读取二进制流（如图片，音乐等文件）。问题是为什么字节流中定义的read()方法返回值为int类型呢？既然它一次读出一个字节数据为什么不返回byte类型呢？

网上的说法不能说它是错误的，只是我感觉没有解释清楚，接下来我们以FileInputStream /FileOutputStream和BufferedInputStream/BufferedOutputStream为例，这两个来解释一下为什么是这样的，以及中间实现过程是什么。

一、我们以FileInputStream/FileOutputStream角度来说，这个主要是与调用的native方法有关，想知道必须看native层怎么实现。

FileInputStream中read()源码：

public int read() throws IOException {
    return read0();
}
private native int read0() throws IOException;

这里我们是看不出为什么read()方法为什么要返回int类型的，所以我们深入点，看Native层代码：

/////////////////////////////////////////////////////////////////////
// FilelnputStream.c
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_java_io_FileInputStream_read0(JNIEnv *env, jobject this) {
    return readSingle(env, this, fis_fd);
}
////////////////////////////////////////////////////////////////////
// io_util.c文件
jint
readSingle(JNIEnv *env, jobject this, jfieldID fid) {
    jint nread;
    char ret;
    FD fd = GET_FD(this, fid);
    if (fd == -1) {
        JNU_ThrowIOException(env, "Stream Closed");
        return -1;
    }
    // 调用IO_Read
    nread = IO_Read(fd, &ret, 1);
    if (nread == 0) { /* EOF */
        return -1;
    } else if (nread == -1) { /* error */
        JNU_ThrowIOExceptionWithLastError(env, "Read error");
    }
    return ret & 0xFF;
}

这里Java_java_io_FileInputStream_read0方法就是JDK中read0()调用的native方法

可以看到这里，我们重点关注的是如果读取结束，则返回一个int类型的-1，否则的话就是返回ret（这里是一个byte数据）返回的是byte，而& 0xFF是为了保证由byte 类型向上拓展成int的时候，不进行符号拓展，而是0拓展。

以上就是实现过程，相信看到这里大家也知道为什么Java IO流的read()返回的是int而不是byte了，因为底层对byte进行了int扩展

那么为什么这么做呢，我们知道字节输入流可以操作任意类型的文件，比如图片音频等，这些文件底层都是以二进制形式的存储的，如果每次读取都返回byte，会有可能在读到111111111，而11111111是byte类型的-1，程序在遇到-1就会停止读取，用int类型接收遇到11111111会在其前面补上24个0凑足4个字节，那么byte类型的-1就变成int类型的255了，这样可以保证整个数据读完。而结束标记的-1是int类型的来作为判断的，像下面这样。

（这里我们要时刻明白一个道理，使用的-1这个结束标志是通过一个判断文件结尾的返回的，而不是输入流读到了一个-1，这里就是为了避免这种情况！）

利用是&0xFF进行0扩展的原因（计算机中存储数据都是用的补码形式，不懂的先去了解下）

1个字节8位，(byte) 4个字节32位，(int)
byte -1 —->int -1(将byte提升为int)
byte 是1一个字节，即8位，如果取到连续11111111，为了避免读到连续8个1(就是-1)和定义的结束标记-1相同(read()返回-1就是读到末尾)。所以在保留11111111的基础上，在转成int类型时，前面24位补0而不补1。
如果是补1（比如强转） 11111111 11111111 11111111 11111111不还是-1？
所以前面24位补0，-1变成了255，既可以保留原字节数据不变(最低8位，配合write方法强转)，又可以避免-1的出现。

我们继续看FileOutputStream里面的write方法，也是调用了一个本地native方法。

public void write(int b) throws IOException {
        write(b, fdAccess.getAppend(fd));
}
private native void write(int b, boolean append) throws IOException;

直接看Native层代码：

////////////////////////////////////////////////////////////////////
// FileOutputStream.c
JNIEXPORT void JNICALL
Java_java_io_FileOutputStream_write(JNIEnv *env, jobject this, jint byte, jboolean append) {
    // writeSingle:写入单个字节
    writeSingle(env, this, byte, append, fos_fd);
}
////////////////////////////////////////////////////////////////////
// io_util.c文件
void
writeSingle(JNIEnv *env, jobject this, jint byte, jboolean append, jfieldID fid) {
    // Discard the 24 high-order bits of byte. See OutputStream#write(int)
    // 这里通过强转处理了int的高24位字节，变成了一个字节
    char c = (char) byte;
    jint n;
    // 获取文件句柄(Windows)
    FD fd = GET_FD(this, fid);
    if (fd == -1) {
        JNU_ThrowIOException(env, "Stream Closed");
        return;
    }
    if (append == JNI_TRUE) {
        // 向后追加
        n = IO_Append(fd, &c, 1);
    } else {
        // 覆盖写入
        n = IO_Write(fd, &c, 1);
    }
    if (n == -1) {
        JNU_ThrowIOExceptionWithLastError(env, "Write error");
    }
}

这里就是将字节一个个的写入，在写入前在OutputStream.write(int)方法中通过强转处理了int的高24位字节，实现原数据的还原

对这JDK有明确表示

所以这样一来就保证了数据读和写的无差错。这也是为什么JDK的OutputStream及其子类为什么方法write(int b)的入参类型是int的原因。（Java中有byte类型，c语言中没有，可能也是用int的原因）

二、扩展：从BufferedInputStream/BufferedOutputStream角度来说
BufferedInputStream中的read()方法的实现

/**
 * See
 * the general contract of the <code>read</code>
 * method of <code>InputStream</code>.
 *
 * @return     the next byte of data, or <code>-1</code> if the end of the
 *             stream is reached.
 * @exception  IOException  if this input stream has been closed by
 *                          invoking its {@link #close()} method,
 *                          or an I/O error occurs.
 * @see        java.io.FilterInputStream#in
 */
public synchronized int read() throws IOException {
    if (pos >= count) {
        fill();
        if (pos >= count)
            return -1;
    }
    return getBufIfOpen()[pos++] & 0xff;
}
private byte[] getBufIfOpen() throws IOException {
    byte[] buffer = buf;
    if (buffer == null)
        throw new IOException("Stream closed");
    return buffer;
}

从上面的源码我们可以看到，getBufIfOpen()方法返回的byte[]，也通过& 0xff进行了0扩展，即read()方法的最后一行把读到的字节 0扩展成了int。实现了一个字节的数据的返回，如果达到流的末尾， 则返回-1（这里是int类型）

而在BufferedOutputStream中的writer()方法果断的又将int强制转成了byte（截取后八位）

public synchronized void write(int b) throws IOException {
    if (count >= buf.length) {
        flushBuffer();
    }
    buf[count++] = (byte)b;
}

想必看到这里，应该知道这样做的原因吧：在用输入流读取一个byte数据时，有时会出现连续8个1的情况，这个值在计算机内部表示-1，正好符合了流结束标记。所以为了避免流操作数据提前结束，将读到的字节进行int类型的扩展。保留该字节数据的同时，前面都补0，避免出现-1的情况。

真正读到文件最后结束是通过这句实现的：if (pos >= count) return -1;
我们使用的-1这个结束标志是通过这句返回的，而不是输入流读到了一个-1。

最后总结一下，Java IO流中read()方法返回int而不是byte主要就是为了避免流操作提前结束，要保证能完全读取到数据。

P.S.小知识：Java中低位向高位扩展是补符号位扩展，高位向低位强转是高位截断，低位保留