一、IO流体系概述

Java IO流是Java标准库中用于处理输入输出的核心组件，其设计遵循”一切皆流”的哲学理念。IO流体系通过抽象类InputStream/OutputStream（字节流）和Reader/Writer（字符流）构建起完整的输入输出框架，支持对文件、网络、内存等多种数据源的操作。

字节流与字符流的核心区别在于数据处理单位：字节流以8位字节为单位，适合处理二进制数据（如图片、音频）；字符流以16位Unicode字符为单位，专为文本数据处理优化。这种分层设计使得开发者可以根据实际需求选择最合适的流类型。

二、字节流体系详解

1. 基础字节流类

FileInputStream和FileOutputStream是文件字节流的核心实现类。创建文件输出流时，若文件不存在会自动创建，但目录必须存在：

try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("test.dat")) {
    byte[] data = {0x48, 0x65, 0x6C, 0x6C, 0x6F}; // "Hello"的ASCII码
    fos.write(data);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

FileInputStream的读取方法read()返回int类型（实际读取的字节），读取到文件末尾时返回-1。这种设计虽然高效，但需要开发者自行处理字节到数据的转换。

2. 缓冲优化机制

BufferedInputStream和BufferedOutputStream通过内部缓冲区（默认8KB）显著提升IO性能。缓冲流在底层流基础上添加了装饰器模式：

try (FileInputStream fis = new FileInputStream("input.dat");
     BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis, 32768)) { // 32KB缓冲区
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = bis.read(buffer)) != -1) {
        // 处理读取的数据
    }
}

缓冲流特别适合大文件操作，通过减少实际IO次数（每次读取满缓冲区）可将性能提升数倍。实际应用中，建议缓冲区大小设置为磁盘块大小的整数倍（通常4KB-32KB）。

三、字符流体系解析

1. 文本处理专用流

FileReader和FileWriter简化了文本文件的读写操作。创建字符流时需注意字符编码问题：

// 显式指定字符编码（推荐）
try (FileWriter fw = new FileWriter("text.txt", StandardCharsets.UTF_8)) {
    fw.write("Java IO流测试\n");
    fw.write("Unicode字符: \u4E2D\u6587");
}

对于中文等非ASCII字符，必须指定正确的字符编码（如UTF-8），否则会出现乱码。StandardCharsets类提供了常用的字符集常量。

2. 高效文本处理方案

BufferedReader和BufferedWriter组合提供了行级文本处理能力：

try (BufferedReader br = new BufferedReader(
        new InputStreamReader(
            new FileInputStream("input.txt"), 
            StandardCharsets.UTF_8));
     BufferedWriter bw = new BufferedWriter(
        new OutputStreamWriter(
            new FileOutputStream("output.txt"),
            StandardCharsets.UTF_8))) {
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) {
        bw.write(processLine(line)); // 处理每行文本
        bw.newLine(); // 写入平台相关的换行符
    }
}

这种组合方式特别适合日志文件处理、文本解析等场景，通过readLine()方法可以高效地逐行读取文本。

四、高级IO技术

1. 对象序列化流

ObjectInputStream和ObjectOutputStream实现了Java对象的序列化与反序列化：

// 序列化对象
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(
        new FileOutputStream("person.dat"))) {
    Person person = new Person("张三", 30);
    oos.writeObject(person);
}
// 反序列化对象
try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(
        new FileInputStream("person.dat"))) {
    Person restored = (Person) ois.readObject();
}

实现Serializable接口的类必须注意：

1. 静态字段不会被序列化
2. transient关键字修饰的字段会被忽略
3. 序列化版本号serialVersionUID应显式声明

2. 数据压缩流

GZIPInputStream和GZIPOutputStream提供了透明的压缩功能：

// 压缩文件
try (GZIPOutputStream gos = new GZIPOutputStream(
        new FileOutputStream("archive.gz"))) {
    byte[] data = "重复数据重复数据重复数据".getBytes();
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        gos.write(data);
    }
}

压缩流特别适合处理大体积文本数据，实际应用中可结合缓冲流进一步提升性能。

五、IO流最佳实践

1. 资源管理：始终使用try-with-resources语句确保流正确关闭
2. 异常处理：区分可恢复异常（如文件不存在）和不可恢复异常
3. 性能优化：
   • 大文件操作使用缓冲流
   • 网络IO设置合理的超时时间
   • 批量读写减少系统调用次数
4. 安全考虑：
   • 验证文件路径防止目录遍历攻击
   • 限制文件大小防止内存耗尽
   • 处理IO异常时记录足够上下文信息

六、实际应用案例

文件复制工具实现

public static void copyFile(String source, String target) throws IOException {
    Path sourcePath = Paths.get(source);
    Path targetPath = Paths.get(target);
    try (InputStream in = Files.newInputStream(sourcePath);
         BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(in);
         OutputStream out = Files.newOutputStream(targetPath);
         BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(out)) {
        byte[] buffer = new byte[8192];
        int bytesRead;
        while ((bytesRead = bis.read(buffer)) != -1) {
            bos.write(buffer, 0, bytesRead);
        }
    }
}

该实现结合了NIO的Paths和Files类与传统IO流的缓冲机制，既保证了代码简洁性又提升了性能。

配置文件解析器

public Map<String, String> parseProperties(String filePath) throws IOException {
    Map<String, String> properties = new HashMap<>();
    try (BufferedReader reader = new BufferedReader(
            new InputStreamReader(
                new FileInputStream(filePath),
                StandardCharsets.UTF_8))) {
        String line;
        while ((line = reader.readLine()) != null) {
            if (line.startsWith("#") || line.isEmpty()) {
                continue; // 跳过注释和空行
            }
            String[] parts = line.split("=", 2);
            if (parts.length == 2) {
                properties.put(parts[0].trim(), parts[1].trim());
            }
        }
    }
    return properties;
}

该解析器展示了字符流在文本处理中的典型应用，通过缓冲读取和行处理高效解析配置文件。

Java IO流体系提供了强大而灵活的数据处理能力，从基础的文件操作到高级的对象序列化，覆盖了开发中的各种IO需求。理解其设计原理和掌握最佳实践，能够显著提升开发效率和程序性能。在实际项目中，建议根据具体场景选择合适的流组合，并始终遵循资源安全管理的原则。