一、IO流概述：Java数据交互的桥梁

Java IO流（Input/Output Stream）是Java语言中实现数据输入输出的核心机制，它通过抽象化的流（Stream）概念，将底层硬件操作（如磁盘读写、网络传输）封装为统一的编程接口。无论是读取文件内容、网络通信还是处理用户输入，IO流都扮演着至关重要的角色。

IO流的设计遵循面向对象原则，通过类层次结构将不同类型的数据操作（如字节、字符）和传输方式（如输入、输出）进行解耦。这种设计不仅提高了代码的可维护性，还通过装饰器模式（Decorator Pattern）实现了功能的灵活扩展。例如，通过BufferedInputStream可以轻松为任何输入流添加缓冲功能，而无需修改原始流的实现。

二、IO流的分类：字节流与字符流的双轨并行

Java IO流体系按数据类型和传输方向可分为四大类：

1. 字节流（Byte Stream）：以字节（8位）为单位处理数据，适用于二进制文件（如图片、视频）或任意类型的数据传输。核心抽象类为InputStream（输入）和OutputStream（输出）。
2. 字符流（Character Stream）：以字符（16位，Unicode编码）为单位处理数据，专为文本文件设计，自动处理字符编码转换。核心抽象类为Reader（输入）和Writer（输出）。

字节流与字符流的选择：

• 处理文本文件时，优先使用字符流（如FileReader/FileWriter），避免手动处理编码问题。
• 处理非文本文件（如压缩包、数据库二进制数据）时，必须使用字节流（如FileInputStream/FileOutputStream）。

三、核心IO类与使用场景

1. 文件操作类

• 字节流文件操作：

  // 写入文件（覆盖模式）
  try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("test.txt")) {
      fos.write("Hello, Java IO!".getBytes());
  }
  // 读取文件
  try (FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt")) {
      byte[] buffer = new byte[1024];
      int length;
      while ((length = fis.read(buffer)) != -1) {
          System.out.println(new String(buffer, 0, length));
      }
  }

• 字符流文件操作：

  // 写入文件（追加模式）
  try (FileWriter fw = new FileWriter("test.txt", true)) {
      fw.write("Appended text\n");
  }
  // 读取文件（按行）
  try (FileReader fr = new FileReader("test.txt");
       BufferedReader br = new BufferedReader(fr)) {
      String line;
      while ((line = br.readLine()) != null) {
          System.out.println(line);
      }
  }

2. 缓冲流：性能优化的关键

缓冲流通过内置缓冲区（通常8KB）减少直接IO操作次数，显著提升性能。例如：

// 缓冲字节流
try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("large.dat"));
     BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("copy.dat"))) {
    byte[] buffer = new byte[8192];
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = bis.read(buffer)) != -1) {
        bos.write(buffer, 0, bytesRead);
    }
}

性能对比：未使用缓冲流时，每次read()或write()都可能触发系统调用；使用缓冲流后，数据先在内存中累积，达到缓冲区大小时才执行一次IO操作。

3. 装饰器模式：功能的灵活组合

Java IO流通过装饰器模式实现功能的叠加。例如，为FileInputStream添加缓冲和加密功能：

InputStream fis = new FileInputStream("secret.dat");
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis); // 添加缓冲
CipherInputStream cis = new CipherInputStream(bis, cipher); // 添加加密

这种设计避免了类爆炸问题，用户可根据需求自由组合功能。

四、常见IO操作示例

1. 文件复制（字节流）

public static void copyFile(String src, String dst) throws IOException {
    try (InputStream in = new FileInputStream(src);
         OutputStream out = new FileOutputStream(dst)) {
        byte[] buffer = new byte[8192];
        int bytesRead;
        while ((bytesRead = in.read(buffer)) != -1) {
            out.write(buffer, 0, bytesRead);
        }
    }
}

2. 文本行数统计（字符流）

public static int countLines(String filePath) throws IOException {
    try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(filePath))) {
        int lines = 0;
        while (reader.readLine() != null) {
            lines++;
        }
        return lines;
    }
}

五、性能优化技巧

1. 合理选择缓冲区大小：通常8KB（8192字节）是经验值，过大可能浪费内存，过小则增加IO次数。
2. 使用NIO提升并发性能：对于高并发场景，Java NIO（New IO）的Channel和Buffer可提供非阻塞IO能力。
3. 及时关闭流：使用try-with-resources语法确保流被正确关闭，避免资源泄漏。
4. 避免频繁小数据写入：将多次小数据写入合并为一次大数据写入，减少IO次数。

六、IO流的异常处理

IO操作可能抛出IOException及其子类（如FileNotFoundException）。推荐使用try-with-resources语法自动关闭资源：

try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("file.txt"))) {
    // 操作流
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

七、总结与展望

Java IO流体系通过清晰的分类和灵活的设计，为开发者提供了强大的数据交互能力。掌握字节流与字符流的区别、缓冲流的使用以及装饰器模式的应用，是高效处理IO操作的关键。随着Java版本的演进，NIO和AIO（异步IO）的引入进一步丰富了IO处理方式，开发者可根据场景选择最适合的方案。

实践建议：

1. 优先使用字符流处理文本文件。
2. 对大文件或高频IO操作，务必使用缓冲流。
3. 在Java 7+环境中，始终使用try-with-resources管理流资源。
4. 对于性能敏感场景，考虑使用NIO或第三方库（如Apache Commons IO）。

通过深入理解Java IO流体系，开发者能够编写出更高效、更健壮的代码，为后续学习Java NIO、网络编程等高级主题打下坚实基础。