一、Java IO流体系概述

Java IO流是Java标准库中处理输入输出的核心组件，其设计遵循”流式处理”思想，将数据视为连续的字节或字符序列。根据数据类型可分为字节流（Byte Stream）和字符流（Character Stream），根据流向可分为输入流（Input Stream）和输出流（Output Stream）。这种四维分类体系构成了Java IO的基础框架。

字节流以InputStream和OutputStream为基类，适用于处理二进制数据（如图片、音频等）。字符流以Reader和Writer为基类，专门处理文本数据，内置字符编码转换功能。例如，使用FileInputStream读取图片文件时，每个read()方法调用返回一个字节（0-255），而FileReader读取文本文件时返回Unicode字符。

二、核心IO流类详解

1. 文件操作流

文件操作是IO流的基础应用场景。FileInputStream和FileOutputStream提供基本的字节级文件读写能力：

try (FileInputStream fis = new FileInputStream("input.txt");
     FileOutputStream fos = new FileOutputStream("output.txt")) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {
        fos.write(buffer, 0, bytesRead);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

字符流对应的FileReader和FileWriter使用更简洁：

try (FileReader fr = new FileReader("input.txt");
     FileWriter fw = new FileWriter("output.txt")) {
    char[] cbuf = new char[1024];
    int charsRead;
    while ((charsRead = fr.read(cbuf)) != -1) {
        fw.write(cbuf, 0, charsRead);
    }
}

2. 缓冲流优化

缓冲流通过内存缓冲区显著提升IO性能。BufferedInputStream和BufferedOutputStream默认使用8KB缓冲区：

try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(
        new FileInputStream("large.dat"));
     BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(
        new FileOutputStream("copy.dat"))) {
    byte[] data = new byte[8192];
    int len;
    while ((len = bis.read(data)) != -1) {
        bos.write(data, 0, len);
    }
}

字符缓冲流BufferedReader和BufferedWriter提供readLine()方法，极大简化文本行处理：

try (BufferedReader br = new BufferedReader(
        new FileReader("data.txt"));
     BufferedWriter bw = new BufferedWriter(
        new FileWriter("result.txt"))) {
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) {
        bw.write(processLine(line));
        bw.newLine();
    }
}

3. 数据流与对象流

DataInputStream和DataOutputStream支持基本数据类型的读写：

try (DataOutputStream dos = new DataOutputStream(
        new FileOutputStream("data.bin"))) {
    dos.writeInt(100);
    dos.writeDouble(3.14);
    dos.writeUTF("Java IO");
}
try (DataInputStream dis = new DataInputStream(
        new FileInputStream("data.bin"))) {
    System.out.println(dis.readInt());
    System.out.println(dis.readDouble());
    System.out.println(dis.readUTF());
}

对象流ObjectInputStream和ObjectOutputStream实现序列化机制：

class Person implements Serializable {
    private String name;
    private int age;
    // 构造方法、getter/setter省略
}
// 序列化
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(
        new FileOutputStream("person.ser"))) {
    oos.writeObject(new Person("Alice", 30));
}
// 反序列化
try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(
        new FileInputStream("person.ser"))) {
    Person p = (Person) ois.readObject();
}

三、NIO流式处理革新

Java NIO（New IO）引入通道（Channel）和缓冲区（Buffer）概念，实现非阻塞IO。FileChannel提供内存映射文件访问：

try (RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("large.dat", "rw");
     FileChannel channel = raf.getChannel()) {
    MappedByteBuffer buffer = channel.map(
        FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, channel.size());
    // 直接操作内存缓冲区
    while (buffer.hasRemaining()) {
        System.out.print((char) buffer.get());
    }
}

SocketChannel和ServerSocketChannel支持网络IO的非阻塞模式：

// 非阻塞服务器示例
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
serverChannel.configureBlocking(false);
Selector selector = Selector.open();
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
    selector.select();
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    for (SelectionKey key : keys) {
        if (key.isAcceptable()) {
            SocketChannel client = serverChannel.accept();
            client.configureBlocking(false);
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        }
        // 处理其他事件...
    }
    keys.clear();
}

四、性能优化策略

1. 缓冲区大小选择：根据硬件特性调整缓冲区大小，通常8KB-32KB为佳。测试表明，32KB缓冲区比4KB提升40%性能
2. 批量操作：优先使用read(byte[] b)而非单字节read()方法
3. 直接缓冲区：NIO的ByteBuffer.allocateDirect()减少内存拷贝
4. 异步IO：Java 7引入的AsynchronousFileChannel支持真正的异步操作
5. 资源释放：始终使用try-with-resources确保流关闭

五、异常处理最佳实践

1. 分层异常处理：区分可恢复异常（如文件不存在）和不可恢复异常
2. 资源清理：在finally块或try-with-resources中释放资源
3. 日志记录：记录完整的IO操作堆栈
4. 重试机制：对临时性故障（如网络抖动）实现指数退避重试

六、实际应用场景

1. 日志系统：使用缓冲字符流实现高效日志写入
2. 配置管理：通过对象流序列化配置对象
3. 大数据处理：NIO通道结合内存映射处理GB级文件
4. 网络通信：SocketChannel实现高性能网络服务

Java IO流体系经过20余年发展，形成了字节流、字符流、NIO三大支柱。开发者应根据具体场景选择合适的技术方案：对于简单文件操作，传统IO流足够；对于高性能需求，NIO的通道和缓冲区是更好的选择；对于复杂对象处理，序列化机制提供了便捷的解决方案。掌握这些核心概念和最佳实践，能够显著提升Java应用的IO处理能力。