一、IO流体系结构与核心概念

1.1 流式数据处理的本质

IO流（Input/Output Stream）是Java实现数据传输的核心抽象，通过建立数据源与目标之间的”管道”，以字节或字符为单位进行顺序读写。其核心价值在于统一不同数据源（文件、网络、内存等）的访问接口，通过装饰器模式实现功能的灵活组合。

1.2 四大抽象基类

Java IO体系建立在四个抽象基类之上：

• InputStream/OutputStream：字节流顶层接口，处理二进制数据
• Reader/Writer：字符流顶层接口，处理文本数据（自动处理字符编码）

// 典型继承关系示例
public class FileInputStream extends InputStream
public class BufferedReader extends Reader

1.3 节点流与处理流

• 节点流：直接连接数据源（如FileInputStream）
• 处理流：对已有流进行功能增强（如BufferedInputStream）

这种设计模式使得开发者可以像搭积木一样组合流功能，例如：

try (InputStream is = new BufferedInputStream(
         new FileInputStream("test.txt"))) {
    // 实际读取时享受缓冲优化
}

二、字节流体系深度解析

2.1 基础字节流操作

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

关键点：

• 使用try-with-resources确保流自动关闭
• 缓冲数组大小建议为8KB（经验值）
• 每次读取后检查返回值

2.2 过滤流增强功能

• BufferedInputStream：减少系统调用次数
• DataInputStream：提供基本类型读取方法
• ObjectInputStream：实现对象序列化

// 对象序列化示例
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(
         new FileOutputStream("object.dat"))) {
    oos.writeObject(new Person("张三", 25));
}

2.3 标准输入输出流

System类提供的静态流对象：

• System.in：标准输入流（InputStream）
• System.out：标准输出流（PrintStream）
• System.err：标准错误流

// 从控制台读取输入
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
String input = scanner.nextLine();

三、字符流体系与编码处理

3.1 字符流设计原理

字符流在字节流基础上增加编码转换层，核心类包括：

• FileReader/FileWriter：简化文件操作的字符流
• InputStreamReader/OutputStreamWriter：桥梁流，可指定字符编码

// 指定UTF-8编码读取文件
try (Reader reader = new InputStreamReader(
         new FileInputStream("text.txt"), StandardCharsets.UTF_8)) {
    char[] buffer = new char[1024];
    while (reader.read(buffer) != -1) {
        System.out.print(buffer);
    }
}

3.2 缓冲字符流优化

BufferedReader的readLine()方法显著提升文本处理效率：

try (BufferedReader br = new BufferedReader(
         new FileReader("lines.txt"))) {
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) {
        System.out.println(line);
    }
}

3.3 打印流家族

PrintWriter/PrintStream提供格式化输出能力：

try (PrintWriter pw = new PrintWriter(new FileWriter("output.txt"))) {
    pw.printf("姓名：%s，年龄：%d", "李四", 30);
}

四、NIO流式处理革新

4.1 Channel与Buffer核心概念

NIO引入的三大核心组件：

• Channel：双向数据通道（FileChannel, SocketChannel）
• Buffer：数据容器（ByteBuffer, CharBuffer）
• Selector：多路复用器

// 文件通道复制示例
try (FileChannel in = FileChannel.open(Paths.get("src.txt"));
     FileChannel out = FileChannel.open(Paths.get("dest.txt"), 
         StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.WRITE)) {
    in.transferTo(0, in.size(), out);
}

4.2 内存映射文件

MappedByteBuffer实现高性能文件访问：

RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("large.dat", "rw");
FileChannel channel = file.getChannel();
MappedByteBuffer buffer = channel.map(
    FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);
buffer.put((byte) 65); // 直接修改内存映射区域

4.3 异步文件通道

AsynchronousFileChannel实现非阻塞IO：

AsynchronousFileChannel fileChannel = 
    AsynchronousFileChannel.open(Paths.get("async.txt"));
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
fileChannel.read(buffer, 0, buffer, 
    new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
        @Override
        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
            System.out.println("读取完成");
        }
        @Override
        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
            exc.printStackTrace();
        }
    });

五、IO流最佳实践

5.1 性能优化策略

1. 缓冲优先：总是优先使用缓冲流
2. 批量操作：使用数组而非单字节/字符操作
3. 合理选择：二进制数据用字节流，文本用字符流
4. 资源管理：严格使用try-with-resources

5.2 异常处理规范

try (InputStream is = new FileInputStream("file.txt")) {
    // 业务逻辑
} catch (FileNotFoundException e) {
    // 处理文件不存在
} catch (IOException e) {
    // 处理读取错误
} finally {
    // 清理资源（try-with-resources已自动处理）
}

5.3 线程安全考虑

• 共享流对象必须同步
• 推荐每个线程使用独立流实例
• 避免在流操作中调用可能阻塞的方法

六、典型应用场景

6.1 大文件处理方案

// 分块读取大文件
public static void processLargeFile(Path path) throws IOException {
    try (InputStream is = Files.newInputStream(path);
         BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(is)) {
        byte[] buffer = new byte[8192];
        int bytesRead;
        while ((bytesRead = bis.read(buffer)) != -1) {
            // 处理每个数据块
        }
    }
}

6.2 网络数据流传输

// 客户端发送文件
try (Socket socket = new Socket("server", 8080);
     OutputStream os = socket.getOutputStream();
     FileInputStream fis = new FileInputStream("data.bin")) {
    byte[] buffer = new byte[4096];
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {
        os.write(buffer, 0, bytesRead);
    }
}

6.3 日志文件轮转

// 实现按日期轮转的日志写入
public class DailyLogWriter extends OutputStream {
    private final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");
    private OutputStream currentStream;
    public void write(int b) throws IOException {
        String date = sdf.format(new Date());
        if (currentStream == null || !isCurrentDate(date)) {
            closeCurrent();
            currentStream = new FileOutputStream("log-" + date + ".txt", true);
        }
        currentStream.write(b);
    }
    // 其他必要方法实现...
}

七、常见问题解决方案

7.1 中文乱码问题

// 正确指定字符编码
try (Reader reader = new InputStreamReader(
         new FileInputStream("chinese.txt"), "GBK")) {
    // 读取操作
}

7.2 流关闭泄漏

• 使用try-with-resources语法
• 避免在finally块中直接关闭流（可能已关闭）
• 自定义关闭检查方法

7.3 大文件内存溢出

• 使用FileChannel的transferTo方法
• 实现自定义缓冲机制
• 考虑使用内存映射文件

八、IO与NIO的选择建议

特性	IO流	NIO
数据单位	字节/字符	缓冲区
阻塞模式	同步阻塞	支持非阻塞
适用场景	简单文件操作、顺序访问	高性能网络服务、随机访问
学习曲线	低	高

建议：对于传统文件操作优先使用IO流，对于需要高性能、高并发的场景考虑NIO。Java 7+的Files工具类已集成许多NIO特性，可作为折中选择。

本文通过系统化的知识梳理和实战案例，帮助开发者全面掌握Java IO流体系。从基础字节流到高级NIO特性，每个技术点都配有代码示例和最佳实践建议，可作为开发人员的实用参考手册。