Java IO流操作全解析：从基础到实战

一、Java IO流体系的核心架构

Java IO流操作是Java标准库中处理输入输出的核心模块，其设计遵循”装饰器模式”（Decorator Pattern），通过组合方式实现功能的灵活扩展。整个IO体系分为字节流（InputStream/OutputStream）和字符流（Reader/Writer）两大类，分别针对二进制数据和文本数据提供操作接口。

1.1 流的分类与继承关系

• 字节流基类：InputStream（抽象类）和OutputStream（抽象类）
  • 典型实现：FileInputStream、ByteArrayInputStream、BufferedInputStream
• 字符流基类：Reader（抽象类）和Writer（抽象类）
  • 典型实现：FileReader、StringReader、BufferedReader
• 转换流：InputStreamReader和OutputStreamWriter实现字节流与字符流的桥接

1.2 装饰器模式的应用

通过组合FilterInputStream/FilterOutputStream及其子类（如BufferedInputStream、DataInputStream），可在不修改原始流对象的前提下添加缓冲、数据类型转换等功能。例如：

try (InputStream is = new FileInputStream("data.bin");
     BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(is);
     DataInputStream dis = new DataInputStream(bis)) {
    // 实现带缓冲的二进制数据读取
    int value = dis.readInt();
}

二、核心操作场景与实现

2.1 文件读写操作

2.1.1 字节流文件操作

// 字节流写入文件
try (OutputStream os = new FileOutputStream("output.dat")) {
    byte[] data = {0x48, 0x65, 0x6C, 0x6C, 0x6F}; // "Hello"的ASCII码
    os.write(data);
}
// 字节流读取文件
try (InputStream is = new FileInputStream("output.dat")) {
    int content;
    while ((content = is.read()) != -1) {
        System.out.print((char) content);
    }
}

2.1.2 字符流文件操作

// 字符流写入文本文件
try (Writer writer = new FileWriter("notes.txt")) {
    writer.write("Java IO流操作示例\n");
    writer.write("第二行内容");
}
// 字符流读取文本文件（带缓冲）
try (Reader reader = new BufferedReader(new FileReader("notes.txt"))) {
    String line;
    while ((line = ((BufferedReader) reader).readLine()) != null) {
        System.out.println(line);
    }
}

2.2 网络流操作

2.2.1 Socket通信示例

// 客户端发送数据
try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
     OutputStream os = socket.getOutputStream()) {
    os.write("Hello Server".getBytes());
}
// 服务端接收数据
try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
     Socket clientSocket = serverSocket.accept();
     InputStream is = clientSocket.getInputStream()) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int bytesRead = is.read(buffer);
    System.out.println("Received: " + new String(buffer, 0, bytesRead));
}

2.3 对象序列化流

// 对象序列化
class Person implements Serializable {
    private String name;
    private int age;
    // 构造方法、getter/setter省略
}
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(
        new FileOutputStream("person.ser"))) {
    Person p = new Person("张三", 30);
    oos.writeObject(p);
}
// 对象反序列化
try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(
        new FileInputStream("person.ser"))) {
    Person p = (Person) ois.readObject();
    System.out.println(p.getName());
}

三、性能优化策略

3.1 缓冲流的使用

通过BufferedInputStream/BufferedOutputStream包装底层流，可将多次小数据量IO操作合并为单次大数据量操作。测试数据显示，缓冲流可使文件读写速度提升3-5倍。

3.2 NIO通道替代方案

对于大文件处理，推荐使用Java NIO的FileChannel：

try (FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("source.txt"));
     FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("target.txt"), 
         StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.WRITE)) {
    inChannel.transferTo(0, inChannel.size(), outChannel);
}

3.3 内存映射文件

针对随机访问场景，可使用MappedByteBuffer：

try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("data.bin", "rw");
     FileChannel channel = file.getChannel()) {
    MappedByteBuffer buffer = channel.map(
        FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, channel.size());
    buffer.put((byte) 0x41); // 修改第一个字节
}

四、常见问题与解决方案

4.1 中文乱码问题

// 错误示范（未指定编码）
try (Writer writer = new FileWriter("chinese.txt")) {
    writer.write("中文测试"); // 可能乱码
}
// 正确做法（指定UTF-8编码）
try (OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(
        new FileOutputStream("chinese.txt"), StandardCharsets.UTF_8)) {
    osw.write("中文测试");
}

4.2 资源泄漏问题

必须使用try-with-resources语句确保流关闭：

// 错误示范（可能资源泄漏）
InputStream is = null;
try {
    is = new FileInputStream("file.txt");
    // 操作流
} finally {
    if (is != null) is.close(); // 可能抛出异常
}
// 正确做法
try (InputStream is = new FileInputStream("file.txt")) {
    // 操作流
} // 自动关闭

4.3 大文件处理策略

对于超过内存容量的文件，应采用分块读取：

final int BUFFER_SIZE = 8192; // 8KB缓冲区
try (InputStream is = new FileInputStream("largefile.dat");
     BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(is)) {
    byte[] buffer = new byte[BUFFER_SIZE];
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = bis.read(buffer)) != -1) {
        // 处理每个数据块
        processChunk(buffer, bytesRead);
    }
}

五、最佳实践建议

1. 优先使用NIO：对于新项目，优先考虑Java NIO的Path、Files类等现代API
2. 合理选择流类型：二进制数据用字节流，文本数据用字符流
3. 始终指定编码：字符流操作必须明确指定字符编码
4. 采用装饰器模式：需要额外功能时，通过包装现有流实现
5. 进行异常处理：区分IOException和具体业务异常

通过系统掌握这些核心概念和实践技巧，开发者能够高效处理从简单文件操作到复杂网络通信的各种IO场景，构建出健壮、高性能的Java应用程序。