一、IO流基础概念与体系架构

IO流（Input/Output Stream）是Java中实现数据传输的核心机制，通过抽象的流模型将复杂的底层操作封装为统一的接口。Java IO体系采用装饰器模式构建，基础接口包括InputStream/OutputStream（字节流）和Reader/Writer（字符流）两大分支。

字节流处理原始二进制数据，适用于所有文件类型（如图片、视频），核心类包括FileInputStream、FileOutputStream。字符流专门处理文本数据，内置编码转换功能，核心类包括FileReader、FileWriter。两者通过InputStreamReader和OutputStreamWriter实现转换。

典型文件复制操作示例：

// 字节流实现（适合所有文件类型）
try (InputStream in = new FileInputStream("source.txt");
     OutputStream out = new FileOutputStream("target.txt")) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int length;
    while ((length = in.read(buffer)) > 0) {
        out.write(buffer, 0, length);
    }
}
// 字符流实现（仅文本文件）
try (Reader reader = new FileReader("source.txt");
     Writer writer = new FileWriter("target.txt")) {
    char[] buffer = new char[1024];
    int length;
    while ((length = reader.read(buffer)) > 0) {
        writer.write(buffer, 0, length);
    }
}

二、缓冲机制与性能优化

缓冲流通过内存缓冲区显著提升IO效率。BufferedInputStream/BufferedOutputStream默认8KB缓冲区，BufferedReader提供readLine()方法高效读取文本行。

性能对比测试：

// 无缓冲写入（性能较差）
long start = System.currentTimeMillis();
try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("no_buffer.txt")) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        fos.write("Test data\n".getBytes());
    }
}
System.out.println("无缓冲耗时：" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
// 有缓冲写入（性能提升约50倍）
start = System.currentTimeMillis();
try (BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(
        new FileOutputStream("buffer.txt"))) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        bos.write("Test data\n".getBytes());
    }
}
System.out.println("有缓冲耗时：" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");

建议：所有磁盘IO操作应优先使用缓冲流，特别是高频次小数据量写入场景。对于网络传输，可结合ByteArrayOutputStream实现内存缓冲。

三、对象序列化与反序列化

Java通过ObjectOutputStream和ObjectInputStream实现对象持久化。实现Serializable接口的类可被序列化，注意transient关键字可排除敏感字段。

序列化最佳实践：

class User implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String username;
    private transient String password; // 不序列化
    // 自定义序列化（可选）
    private void writeObject(ObjectOutputStream oos) throws IOException {
        oos.defaultWriteObject();
        // 额外加密处理
    }
    private void readObject(ObjectInputStream ois) throws IOException, ClassNotFoundException {
        ois.defaultReadObject();
        // 解密处理
    }
}
// 序列化示例
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(
        new FileOutputStream("user.dat"))) {
    User user = new User("admin", "secret");
    oos.writeObject(user);
}
// 反序列化示例
try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(
        new FileInputStream("user.dat"))) {
    User user = (User) ois.readObject();
    System.out.println(user.username); // 输出admin
    System.out.println(user.password); // 输出null
}

安全提示：序列化可能引发反序列化漏洞，建议：

1. 使用serialVersionUID控制版本兼容
2. 敏感数据使用transient或自定义序列化
3. 考虑使用JSON/XML等文本格式替代二进制序列化

四、NIO革新与通道模型

Java NIO引入Channel、Buffer和Selector机制，实现非阻塞IO和内存映射文件。FileChannel提供transferFrom()和transferTo()方法实现零拷贝传输。

内存映射文件示例：

try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("large.dat", "rw");
     FileChannel channel = file.getChannel()) {
    // 映射1MB文件区域到内存
    MappedByteBuffer buffer = channel.map(
        FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024*1024);
    // 直接操作内存
    buffer.put((byte)65); // 写入'A'
    buffer.flip();
    System.out.println((char)buffer.get()); // 读取'A'
}

NIO核心优势：

1. 通道传输效率比传统流高3-5倍
2. 内存映射文件突破JVM堆内存限制
3. Selector实现单线程管理多个连接

五、压缩流与加密流应用

Java提供GZIPInputStream/GZIPOutputStream实现压缩，CipherInputStream/CipherOutputStream结合JCE实现加密。

压缩加密组合示例：

// 生成AES密钥
KeyGenerator keyGen = KeyGenerator.getInstance("AES");
keyGen.init(128);
SecretKey secretKey = keyGen.generateKey();
// 创建加密流
try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("secure.gz");
     GZIPOutputStream gzos = new GZIPOutputStream(fos);
     CipherOutputStream cos = new CipherOutputStream(
         gzos, 
         Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding").init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey))) {
    cos.write("Sensitive data".getBytes());
}

六、最佳实践与性能调优

1. 资源管理：始终使用try-with-resources确保流关闭
2. 缓冲区大小：根据设备特性调整（通常8KB-32KB）
3. 字符编码：明确指定编码（如OutputStreamWriter(os, "UTF-8")）
4. 异常处理：区分可恢复异常（如FileNotFoundException）和程序错误
5. 批量操作：优先使用write(byte[])而非循环write(int)

性能基准测试表明，合理使用缓冲和NIO可使IO吞吐量提升10-100倍。建议开发者根据具体场景（文件大小、访问频率、数据类型）选择最优IO方案。