Java基础篇：深入解析IO流的核心机制与应用

一、IO流的核心概念与分类体系

Java IO流（Input/Output Stream）是程序与外部设备（文件、网络、内存等）进行数据交互的核心机制，其设计遵循”流式处理”原则，将数据视为连续的字节或字符序列。根据数据类型和处理方式，IO流可分为四大类：

1. 字节流体系（Base on Byte）

以InputStream和OutputStream为基类，适用于处理二进制数据（如图片、音频、压缩文件等）。核心实现类包括：

• FileInputStream/FileOutputStream：文件字节流
• BufferedInputStream/BufferedOutputStream：缓冲字节流（通过8KB缓冲区提升性能）
• DataInputStream/DataOutputStream：数据字节流（支持基本类型读写）

性能优化示例：

// 非缓冲流（每次IO操作触发系统调用）
try (FileInputStream fis = new FileInputStream("large.dat");
     FileOutputStream fos = new FileOutputStream("copy.dat")) {
    int b;
    while ((b = fis.read()) != -1) {
        fos.write(b);
    }
}
// 缓冲流（减少系统调用次数）
try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(
        new FileInputStream("large.dat"));
     BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(
        new FileOutputStream("copy.dat"))) {
    byte[] buffer = new byte[8192]; // 8KB缓冲区
    int len;
    while ((len = bis.read(buffer)) != -1) {
        bos.write(buffer, 0, len);
    }
}

2. 字符流体系（Base on Char）

以Reader和Writer为基类，专为文本数据处理设计，自动处理字符编码转换。关键实现类：

• FileReader/FileWriter：文件字符流（依赖系统默认编码）
• BufferedReader/BufferedWriter：缓冲字符流（支持行读取）
• InputStreamReader/OutputStreamWriter：转换流（指定字符编码）

编码处理示例：

// 错误示范：未指定编码可能导致乱码
try (FileWriter fw = new FileWriter("utf8.txt")) {
    fw.write("中文测试");
}
// 正确做法：通过转换流指定UTF-8编码
try (OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(
        new FileOutputStream("utf8.txt"), StandardCharsets.UTF_8)) {
    osw.write("中文测试");
}

二、高级IO流应用场景

1. 对象序列化流

ObjectInputStream/ObjectOutputStream实现Java对象与字节流的转换，需注意：

• 实现Serializable接口
• 使用transient关键字保护敏感字段
• 通过serialVersionUID控制版本兼容性

序列化示例：

class User implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String name;
    private transient String password; // 不序列化
    // 构造方法、getter/setter省略
}
// 序列化
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(
        new FileOutputStream("user.dat"))) {
    oos.writeObject(new User("Alice", "123456"));
}
// 反序列化
try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(
        new FileInputStream("user.dat"))) {
    User user = (User) ois.readObject();
    System.out.println(user.getName()); // Alice
    System.out.println(user.getPassword()); // null
}

2. 打印流

PrintStream/PrintWriter提供格式化输出能力，常用于日志记录：

// 重定向System.out到文件
try (PrintStream ps = new PrintStream(new FileOutputStream("log.txt"))) {
    System.setOut(ps);
    System.out.println("这条消息将写入文件");
}
// 字符打印流（自动flush）
try (PrintWriter pw = new PrintWriter(
        new FileWriter("log.txt"), true)) { // autoFlush=true
    pw.printf("格式化输出: %d %s", 100, "条记录");
}

三、NIO革新：通道与缓冲区

Java NIO（New IO）引入通道（Channel）和缓冲区（Buffer）机制，突破传统IO的流式限制：

1. FileChannel核心操作

Path path = Paths.get("large.dat");
// 读取文件到缓冲区
try (FileChannel channel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ);
     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
    }
}
// 文件复制（内存映射）
try (FileChannel src = FileChannel.open(Paths.get("src.dat"), StandardOpenOption.READ);
     FileChannel dst = FileChannel.open(Paths.get("dst.dat"), 
         StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.WRITE)) {
    MappedByteBuffer map = src.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, src.size());
    dst.write(map);
}

2. 选择器（Selector）实现IO多路复用

Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
server.bind(new InetSocketAddress(8080));
server.configureBlocking(false);
server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
    selector.select(); // 阻塞直到有就绪通道
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    for (SelectionKey key : keys) {
        if (key.isAcceptable()) {
            SocketChannel client = server.accept();
            client.configureBlocking(false);
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        }
        if (key.isReadable()) {
            // 处理客户端数据
        }
    }
    keys.clear();
}

四、IO流最佳实践

1. 资源管理：始终使用try-with-resources确保流关闭
2. 缓冲区大小：根据场景选择（文件操作建议8KB，网络操作建议16KB）
3. 异常处理：区分IOException（可恢复）和RuntimeException（编程错误）
4. 性能测试：使用JMH进行基准测试，避免过早优化
5. 日志记录：重要IO操作添加日志，便于问题追踪

五、常见问题解决方案

1. 中文乱码：统一使用StandardCharsets指定编码

   new InputStreamReader(inputStream, StandardCharsets.UTF_8)

2. 大文件处理：采用分块读取+内存映射技术
3. 网络粘包：设计固定长度的协议头或使用分隔符
4. 流关闭顺序：先关闭外层装饰流，再关闭底层流

通过系统掌握IO流的分类体系、核心机制和高级特性，开发者能够高效处理文件操作、网络通信等场景，为构建稳定可靠的Java应用奠定基础。建议结合JDK文档和开源项目（如Apache Commons IO）进行深入实践。