Java IO体系全景图：分类与层次结构

Java IO（Input/Output）是Java语言中处理输入输出的核心模块，其设计遵循“流”的概念，将数据抽象为连续的字节或字符序列。从功能维度划分，Java IO可分为字节流（处理二进制数据）和字符流（处理文本数据）；从方向维度划分，又可分为输入流（读取数据）和输出流（写入数据）。

（注：此处为示意图，实际类结构以JDK文档为准）

1. 字节流 vs 字符流：核心区别与应用场景

字节流（InputStream/OutputStream）

• 底层操作：直接处理字节（byte），适用于二进制文件（如图片、音频）、网络通信等场景。
• 核心类：
  • FileInputStream/FileOutputStream：文件读写。
  • BufferedInputStream/BufferedOutputStream：带缓冲的字节流，提升性能。
  • DataInputStream/DataOutputStream：支持基本数据类型（int、double等）的读写。

示例：复制图片文件

try (InputStream in = new FileInputStream("input.jpg");
     OutputStream out = new FileOutputStream("output.jpg")) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int length;
    while ((length = in.read(buffer)) != -1) {
        out.write(buffer, 0, length);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

字符流（Reader/Writer）

• 底层操作：处理字符（char），内部自动处理编码转换（如UTF-8、GBK），适用于文本文件（如CSV、JSON）。
• 核心类：
  • FileReader/FileWriter：文件读写（注意：默认使用平台编码，可能乱码）。
  • BufferedReader/BufferedWriter：带缓冲的字符流，支持按行读写。
  • InputStreamReader/OutputStreamWriter：桥接字节流与字符流，指定编码。

示例：读取文本文件并统计行数

try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader("data.txt"))) {
    int lineCount = 0;
    String line;
    while ((line = reader.readLine()) != null) {
        lineCount++;
        System.out.println(line); // 打印每行内容
    }
    System.out.println("总行数: " + lineCount);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

2. 装饰器模式：流的组合与扩展

Java IO通过装饰器模式（Decorator Pattern）实现流的动态组合。例如，BufferedInputStream可以包装FileInputStream，在不修改原始类的情况下添加缓冲功能。

装饰器模式类图

示例：带缓冲的字符流写入

try (BufferedWriter writer = new BufferedWriter(
        new OutputStreamWriter(
                new FileOutputStream("output.txt"), "UTF-8"))) {
    writer.write("Hello, Java IO!");
    writer.newLine(); // 写入换行符
    writer.flush(); // 强制刷新缓冲区
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

3. NIO（New IO）：非阻塞与高效IO

Java NIO（JDK 1.4引入）通过通道（Channel）、缓冲区（Buffer）和选择器（Selector）实现非阻塞IO，适用于高并发场景（如网络服务器）。

NIO核心组件

• Channel：双向数据传输通道（如FileChannel、SocketChannel）。
• Buffer：数据容器，支持多种类型（ByteBuffer、CharBuffer等）。
• Selector：监控多个通道的事件（如可读、可写）。

示例：使用FileChannel复制文件

try (FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("input.txt"), StandardOpenOption.READ);
     FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("output.txt"), 
             StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE)) {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    while (inChannel.read(buffer) != -1) {
        buffer.flip(); // 切换为读模式
        outChannel.write(buffer);
        buffer.clear(); // 清空缓冲区
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

4. 常见问题与最佳实践

问题1：字符流乱码

• 原因：未指定编码或编码不匹配。
• 解决：使用InputStreamReader/OutputStreamWriter显式指定编码。

  try (Reader reader = new InputStreamReader(
        new FileInputStream("data.txt"), "UTF-8")) {
    // 读取操作
  }

问题2：流未关闭导致资源泄漏

• 解决：使用try-with-resources语法自动关闭流。

  try (InputStream in = new FileInputStream("file.txt")) {
    // 使用in
  } // 自动调用close()

最佳实践：流的选择策略

1. 二进制数据：优先使用字节流（如FileInputStream）。
2. 文本数据：优先使用字符流（如BufferedReader），并指定编码。
3. 高性能需求：考虑NIO或第三方库（如Apache Commons IO）。

5. 扩展：Java 7+的Files工具类

Java 7引入了java.nio.file.Files类，提供更简洁的IO操作：

// 读取所有行
List<String> lines = Files.readAllLines(Paths.get("data.txt"), StandardCharsets.UTF_8);
// 写入文件
Files.write(Paths.get("output.txt"), "Hello".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

总结：Java IO的核心要点

1. 分类清晰：字节流处理二进制，字符流处理文本。
2. 装饰器模式：通过组合扩展流功能。
3. NIO革新：非阻塞IO提升并发性能。
4. 编码意识：始终显式指定字符编码。
5. 资源管理：使用try-with-resources避免泄漏。

通过掌握这些核心概念与实践技巧，开发者可以高效处理各种IO场景，彻底告别对Java IO的模糊认知！