一、Java IO流体系概览

Java IO流是处理输入/输出操作的核心机制，其设计遵循”面向接口编程”原则，通过抽象基类InputStream/OutputStream（字节流）和Reader/Writer（字符流）构建层次化体系。这种设计使得开发者可以通过组合装饰器类实现功能扩展，例如BufferedReader包装FileReader后即可获得缓冲和行读取能力。

字节流与字符流的核心区别在于处理单位：字节流（如FileInputStream）以8位字节为单位，适用于二进制文件操作；字符流（如FileReader）以16位Unicode字符为单位，专门优化文本处理。对于包含中文等多字节字符的文本文件，使用字符流可避免乱码问题。

IO流的四大抽象基类定义了关键方法：

// 字节输入流核心方法
public abstract int read() throws IOException;
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException;
// 字符输出流核心方法
public abstract void write(char cbuf[], int off, int len) throws IOException;
public void write(String str, int off, int len) throws IOException;

二、核心IO流类详解

1. 基础流类实战

文件操作推荐使用Files工具类（Java 7+），其readAllBytes()和write()方法可简化代码：

// 读取文件全部内容
byte[] fileContent = Files.readAllBytes(Paths.get("test.txt"));
// 写入文件（自动关闭流）
Files.write(Paths.get("output.txt"), "Hello NIO".getBytes());

对于大文件处理，应使用缓冲流：

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);
    }
}

2. 装饰器模式应用

Java IO采用装饰器模式实现功能扩展，典型组合如：

// 带缓冲的字符输入流（支持行读取）
try (BufferedReader br = new BufferedReader(
     new InputStreamReader(
     new FileInputStream("data.txt"), StandardCharsets.UTF_8))) {
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) {
        System.out.println(line);
    }
}

自定义装饰器示例：

public class UpperCaseReader extends FilterReader {
    public UpperCaseReader(Reader in) {
        super(in);
    }
    @Override
    public int read() throws IOException {
        return Character.toUpperCase(super.read());
    }
    @Override
    public int read(char[] cbuf, int off, int len) throws IOException {
        int result = super.read(cbuf, off, len);
        for (int i = off; i < off + result; i++) {
            cbuf[i] = Character.toUpperCase(cbuf[i]);
        }
        return result;
    }
}

三、NIO高性能IO

Java NIO（New IO）通过Channel和Buffer实现非阻塞IO，核心组件包括：

• FileChannel：支持内存映射文件（MappeByteBuffer）
• SocketChannel：实现非阻塞网络通信
• Selector：多路复用器管理多个通道

内存映射文件示例：

try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("large.dat", "rw");
     FileChannel channel = file.getChannel()) {
    MappedByteBuffer buffer = channel.map(
        FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, channel.size());
    // 直接操作内存缓冲区
    while (buffer.hasRemaining()) {
        System.out.print((char) buffer.get());
    }
}

NIO.2（Java 7+）新增Path、Paths和Files类，提供更简洁的API：

// 递归复制目录
Path source = Paths.get("/source");
Path target = Paths.get("/target");
Files.walk(source)
     .forEach(path -> {
         try {
             Path relative = source.relativize(path);
             Files.copy(path, target.resolve(relative), 
                       StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
         } catch (IOException e) {
             e.printStackTrace();
         }
     });

四、实际应用最佳实践

1. 资源管理：始终使用try-with-resources确保流关闭

   try (InputStream is = new URL("http://example.com").openStream();
     OutputStream os = new FileOutputStream("web.html")) {
    byte[] buffer = new byte[4096];
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = is.read(buffer)) != -1) {
        os.write(buffer, 0, bytesRead);
    }
   }

2. 性能优化：

   • 缓冲流默认缓冲区8KB，处理大文件时可增大至64KB-128KB
   • 序列化操作使用ObjectOutputStream时，考虑实现Externalizable接口提升性能
   • 网络传输优先使用NIO的SocketChannel和ByteBuffer

3. 异常处理：

   • 区分可恢复异常（如SocketTimeoutException）和致命异常
   • 使用IOException的子类进行精确处理
   • 记录完整的IO操作堆栈信息

五、常见问题解决方案

1. 中文乱码：

   // 正确指定字符集
   try (InputStreamReader isr = new InputStreamReader(
     new FileInputStream("chinese.txt"), StandardCharsets.UTF_8);
     OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(
     new FileOutputStream("output.txt"), StandardCharsets.UTF_8)) {
    // 读写操作...
   }

2. 大文件处理：

   • 使用FileChannel.transferFrom()进行零拷贝传输
   • 分块读取处理（如每100MB处理一次）
   • 考虑使用内存映射文件处理超大型文件

3. 并发IO控制：

   • 使用Semaphore限制并发IO操作数
   • 考虑异步IO（AsynchronousFileChannel）
   • 实现读写锁机制保护共享资源

Java IO流体系经过20余年演进，已形成涵盖同步/异步、阻塞/非阻塞的完整解决方案。开发者应根据具体场景选择合适的技术：对于简单文件操作，推荐使用NIO.2的Files工具类；对于高性能需求，应掌握NIO的通道和缓冲区机制；在处理文本数据时，务必注意字符编码问题。通过合理组合这些技术，可以构建出高效、可靠的IO处理系统。