一、IO流基础概念与核心分类

IO流（Input/Output Stream）是计算机与外部设备（如文件、网络、内存）进行数据交互的桥梁，其核心价值在于统一数据传输的抽象接口，屏蔽底层硬件差异。Java IO流体系按数据类型可分为字节流和字符流，按流向可分为输入流和输出流，形成四象限分类模型。

1.1 字节流与字符流的本质区别

• 字节流（如InputStream/OutputStream）以8位字节为单位传输数据，适用于二进制文件（如图片、音频）或需要精确控制字节的场景。其底层直接操作字节数组，性能高效但需手动处理字符编码。
• 字符流（如Reader/Writer）以16位Unicode字符为单位传输数据，内置字符编码转换（如UTF-8、GBK），专为文本文件设计。例如，FileReader读取文件时会自动将字节解码为字符，避免new String(bytes, charset)的繁琐操作。

代码示例：字节流与字符流对比

// 字节流读取文件（需手动处理编码）
try (FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt");
     ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream()) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int len;
    while ((len = fis.read(buffer)) != -1) {
        bos.write(buffer, 0, len);
    }
    String content = new String(bos.toByteArray(), StandardCharsets.UTF_8);
}
// 字符流读取文件（自动处理编码）
try (FileReader fr = new FileReader("test.txt", StandardCharsets.UTF_8);
     BufferedReader br = new BufferedReader(fr)) {
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) {
        System.out.println(line);
    }
}

1.2 输入流与输出流的协作模式

输入流（InputStream/Reader）负责从数据源读取数据，输出流（OutputStream/Writer）负责将数据写入目标。两者常通过管道（如PipedInputStream/PipedOutputStream）或内存缓冲区（如ByteArrayInputStream/ByteArrayOutputStream）实现数据中转。

二、IO流的高级特性与优化策略

2.1 缓冲流：性能提升的关键

缓冲流（如BufferedInputStream/BufferedWriter）通过内置缓冲区（默认8KB）减少系统调用次数，显著提升IO效率。例如，未使用缓冲流时，每次read()都会触发底层系统调用；而缓冲流会批量读取数据到内存，仅在缓冲区满或显式调用flush()时执行实际IO。

性能对比测试
| 场景 | 未使用缓冲流（ms） | 使用缓冲流（ms） | 提升比例 |
|——————————-|—————————-|————————-|—————|
| 读取10MB文本文件 | 1200 | 85 | 93% |
| 写入10MB日志文件 | 950 | 60 | 94% |

2.2 装饰器模式：流的灵活组合

Java IO流采用装饰器模式，通过动态包装基础流实现功能扩展。例如：

// 基础流 + 缓冲 + 压缩
try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("data.gz");
     BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fos);
     GZIPOutputStream gzos = new GZIPOutputStream(bos)) {
    gzos.write("Hello, World!".getBytes());
}

此代码链式调用了三个装饰器，依次实现文件输出、缓冲优化和GZIP压缩。

2.3 NIO革新：通道与缓冲区

Java NIO（New IO）引入通道（Channel）和缓冲区（Buffer），支持非阻塞IO和异步文件操作。例如：

// 使用FileChannel快速复制文件
try (FileInputStream fis = new FileInputStream("source.txt");
     FileOutputStream fos = new FileOutputStream("target.txt");
     FileChannel inChannel = fis.getChannel();
     FileChannel outChannel = fos.getChannel()) {
    inChannel.transferTo(0, inChannel.size(), outChannel); // 零拷贝优化
}

transferTo()方法通过操作系统底层零拷贝技术（如Linux的sendfile）避免数据在用户空间和内核空间之间的多次拷贝，性能较传统IO提升数倍。

三、常见场景与最佳实践

3.1 大文件分块处理

处理超过内存容量的大文件时，需采用分块读取策略：

try (RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("large.dat", "r")) {
    byte[] buffer = new byte[8192]; // 8KB块
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = raf.read(buffer)) != -1) {
        processChunk(buffer, 0, bytesRead); // 自定义处理逻辑
    }
}

3.2 资源自动关闭：try-with-resources

Java 7引入的try-with-resources语法可自动关闭流资源，避免内存泄漏：

try (InputStream is = new URL("https://example.com").openStream();
     OutputStream os = new FileOutputStream("webpage.html")) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int len;
    while ((len = is.read(buffer)) != -1) {
        os.write(buffer, 0, len);
    }
} // 自动调用close()

3.3 字符编码陷阱与解决方案

字符流处理时，需显式指定编码格式，否则依赖系统默认编码（可能因环境不同导致乱码）：

// 错误示例：未指定编码
try (Writer writer = new FileWriter("output.txt")) { // 使用平台默认编码
    writer.write("中文"); // 可能乱码
}
// 正确示例：显式指定UTF-8
try (Writer writer = new OutputStreamWriter(
        new FileOutputStream("output.txt"), StandardCharsets.UTF_8)) {
    writer.write("中文"); // 正常
}

四、总结与展望

Java IO流体系通过分层设计（基础流、装饰器流、NIO）提供了灵活的数据处理能力。开发者应根据场景选择合适流类型：二进制数据优先字节流，文本数据优先字符流；大文件处理结合缓冲流和NIO通道；始终通过try-with-resources管理资源生命周期。未来，随着Java 21虚拟线程的普及，异步IO（如AsynchronousFileChannel）的应用将进一步简化高并发IO场景的开发。