一、Java IO系统概述：分层架构与核心组件

Java IO系统采用分层设计，分为底层字节流、中层包装流和高层工具类三层结构。底层字节流（InputStream/OutputStream）直接操作字节数据，是所有IO操作的基础；中层包装流（如BufferedInputStream）通过装饰器模式增强功能，提供缓冲、压缩等能力；高层工具类（如Scanner）则封装了复杂操作，简化用户使用。

以文件读取为例，基础字节流实现如下：

try (InputStream is = new FileInputStream("test.txt")) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int len;
    while ((len = is.read(buffer)) != -1) {
        System.out.write(buffer, 0, len);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

此代码直接操作字节，效率较低。通过包装流改进：

try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(
        new FileInputStream("test.txt"))) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int len;
    while ((len = bis.read(buffer)) != -1) {
        System.out.write(buffer, 0, len);
    }
}

缓冲流通过内部8KB缓冲区减少系统调用次数，性能提升显著。

二、同步阻塞IO：基础模式与性能优化

同步阻塞IO（BIO）是Java最早支持的IO模式，核心类包括FileInputStream、SocketInputStream等。其特点为：

1. 线程阻塞：调用read()时线程挂起，直到数据就绪
2. 简单可靠：适合低并发场景
3. 资源消耗大：高并发时需创建大量线程

典型应用场景为文件操作：

// 文件复制（同步阻塞）
public static void copyFile(String src, String dest) {
    try (InputStream in = new FileInputStream(src);
         OutputStream out = new FileOutputStream(dest)) {
        byte[] buffer = new byte[8192];
        int len;
        while ((len = in.read(buffer)) != -1) {
            out.write(buffer, 0, len);
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

优化建议：

• 使用缓冲流（BufferedInputStream）减少系统调用
• 合理设置缓冲区大小（通常8KB-32KB）
• 采用try-with-resources确保资源释放

三、异步非阻塞IO：NIO的核心机制

Java NIO（New IO）引入通道（Channel）、缓冲区（Buffer）和选择器（Selector）三大组件，实现非阻塞IO：

1. 通道：双向数据传输管道（FileChannel、SocketChannel）
2. 缓冲区：数据容器（ByteBuffer、CharBuffer）
3. 选择器：监控多个通道的事件（OP_READ、OP_WRITE）

NIO文件读取示例：

try (FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("test.txt"))) {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    while (channel.read(buffer) != -1) {
        buffer.flip(); // 切换为读模式
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get());
        }
        buffer.clear(); // 清空缓冲区
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

NIO优势：

• 单线程处理多连接：通过Selector管理数千连接
• 零拷贝技术：FileChannel.transferTo()减少内存拷贝
• 直接缓冲区：ByteBuffer.allocateDirect()提升大文件处理效率

四、字符流与编码处理：文本IO的正确实践

字符流（Reader/Writer）专为文本设计，自动处理字符编码转换。关键类包括：

• InputStreamReader：字节流转字符流
• OutputStreamWriter：字符流转字节流
• BufferedReader：带缓冲的字符读取

编码处理示例：

// 指定UTF-8编码读取文件
try (BufferedReader reader = new BufferedReader(
        new InputStreamReader(
                new FileInputStream("test.txt"), StandardCharsets.UTF_8))) {
    String line;
    while ((line = reader.readLine()) != null) {
        System.out.println(line);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

常见编码问题：

1. 平台默认编码：new FileReader("file.txt")使用系统默认编码，可能导致乱码
2. BOM头处理：UTF-8 with BOM文件需跳过前3字节
3. 性能优化：大文本文件应使用缓冲流+合理行缓冲区大小（如8KB）

五、高级IO模式：AIO与Netty框架

Java 7引入的AIO（NIO.2）基于事件通知机制，核心类为AsynchronousFileChannel：

AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(
        Paths.get("test.txt"), StandardOpenOption.READ);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
channel.read(buffer, 0, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
    @Override
    public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
        attachment.flip();
        // 处理数据
    }
    @Override
    public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
        exc.printStackTrace();
    }
});

Netty框架进一步抽象IO模型，提供：

• Reactor线程模型：单线程处理IO事件
• 零拷贝支持：FileRegion.transferTo()
• 编解码器：处理协议转换（如HTTP、WebSocket）

六、性能调优实战：IO系统的优化策略

1. 缓冲区大小选择：

   • 文件IO：8KB-32KB（与磁盘块大小匹配）
   • 网络IO：16KB-64KB（与MTU包大小匹配）

2. 线程模型优化：

   // BIO多线程服务器示例
   ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(100);
   ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
   while (true) {
       Socket socket = serverSocket.accept();
       executor.execute(() -> handleRequest(socket));
   }

3. 内存映射文件：

   try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("large.dat", "rw");
        FileChannel channel = file.getChannel()) {
       MappedByteBuffer buffer = channel.map(
               FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024*1024);
       // 直接操作内存，适合大文件处理
   }

七、常见问题解决方案

1. EOFException处理：

   • 检查文件是否完整
   • 使用available()方法预判数据量

2. SocketTimeoutException：

   • 设置合理的soTimeout
   • 实现重试机制

3. 内存泄漏防范：

   • 确保关闭所有流（try-with-resources）
   • 避免直接缓冲区泄漏

八、未来趋势：Java IO的演进方向

1. Vector API：SIMD指令加速IO处理
2. 异步文件系统：Project Loom的虚拟线程支持
3. G1垃圾回收优化：减少大对象分配开销

Java IO系统经过20余年演进，形成了从基础字节流到高级异步框架的完整生态。开发者应根据场景选择合适模式：文件操作优先NIO，高并发网络服务采用Netty，简单脚本使用BIO。掌握这些核心机制后，可进一步探索零拷贝、内存映射等高级特性，构建高性能IO应用。