一、IO流体系概述

Java IO流是处理输入输出的核心机制，通过抽象”流”的概念实现数据在不同介质间的传输。其设计遵循装饰者模式，通过组合方式扩展功能，形成层次分明的类库体系。核心接口包括InputStream/OutputStream（字节流）和Reader/Writer（字符流），配合装饰类实现缓冲、过滤、转换等高级功能。

1.1 流的核心分类

• 按数据类型：字节流（处理二进制数据）与字符流（处理文本数据）
• 按流向：输入流（读取数据）与输出流（写入数据）
• 按功能：节点流（直接连接数据源）与处理流（装饰节点流增强功能）

1.2 装饰者模式应用

以BufferedReader为例，其构造方法接收Reader类型参数：

Reader baseReader = new FileReader("test.txt");
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(baseReader);

这种设计允许通过多层装饰实现功能叠加，如同时添加缓冲和字符编码转换功能。

二、字节流体系详解

字节流是IO操作的基础，适用于处理图像、音频等二进制数据，或需要精确控制字节的场景。

2.1 基础字节流

FileInputStream/FileOutputStream实现文件读写：

try (FileInputStream fis = new FileInputStream("input.bin");
     FileOutputStream fos = new FileOutputStream("output.bin")) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {
        fos.write(buffer, 0, bytesRead);
    }
}

2.2 缓冲字节流

BufferedInputStream/BufferedOutputStream通过8KB缓冲区显著提升性能：

try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(
        new FileInputStream("large.bin"));
     BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(
        new FileOutputStream("copy.bin"))) {
    int data;
    while ((data = bis.read()) != -1) {
        bos.write(data);
    }
}

测试显示，处理100MB文件时，缓冲流比基础流快5-8倍。

2.3 数据流应用

DataInputStream/DataOutputStream支持基本类型读写：

try (DataOutputStream dos = new DataOutputStream(
        new FileOutputStream("data.dat"))) {
    dos.writeInt(12345);
    dos.writeDouble(3.14159);
    dos.writeUTF("Java IO");
}
try (DataInputStream dis = new DataInputStream(
        new FileInputStream("data.dat"))) {
    System.out.println(dis.readInt());
    System.out.println(dis.readDouble());
    System.out.println(dis.readUTF());
}

三、字符流体系解析

字符流专门处理文本数据，自动处理字符编码转换，简化文本操作。

3.1 基础字符流

FileReader/FileWriter实现简单文本读写：

try (FileReader fr = new FileReader("text.txt");
     FileWriter fw = new FileWriter("copy.txt")) {
    char[] buffer = new char[1024];
    int charsRead;
    while ((charsRead = fr.read(buffer)) != -1) {
        fw.write(buffer, 0, charsRead);
    }
}

3.2 缓冲字符流

BufferedReader/BufferedWriter提升文本处理效率：

try (BufferedReader br = new BufferedReader(
        new FileReader("input.txt"));
     BufferedWriter bw = new BufferedWriter(
        new FileWriter("output.txt"))) {
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) {
        bw.write(line);
        bw.newLine(); // 添加平台相关换行符
    }
}

3.3 打印流应用

PrintStream/PrintWriter提供格式化输出：

try (PrintWriter pw = new PrintWriter(
        new FileWriter("report.txt"))) {
    pw.printf("姓名: %s 年龄: %d%n", "张三", 25);
    pw.println("详细信息...");
}

四、NIO文件通道技术

Java NIO引入Channel和Buffer概念，提供更高效的IO操作。

4.1 FileChannel基础

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

4.2 内存映射文件

FileChannel.map()实现高效随机访问：

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
    for (int i = 0; i < buffer.limit(); i++) {
        buffer.put(i, (byte)(buffer.get(i) ^ 0xFF)); // 位反转
    }
}

五、最佳实践与性能优化

1. 资源管理：始终使用try-with-resources确保流关闭
2. 缓冲区大小：根据场景调整缓冲区（通常8KB-32KB）
3. 批量操作：优先使用批量读写方法（如read(byte[])）
4. NIO适用场景：处理大文件或需要随机访问时优先选择
5. 字符编码：明确指定字符编码避免平台差异

   // 正确指定字符编码示例
   try (InputStreamReader isr = new InputStreamReader(
        new FileInputStream("utf8.txt"), StandardCharsets.UTF_8);
     OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(
        new FileOutputStream("output.txt"), StandardCharsets.UTF_8)) {
    // 处理文本
   }

六、常见问题解决方案

1. 中文乱码：统一使用StandardCharsets常量指定编码
2. 流未关闭：强制使用try-with-resources语法
3. 大文件处理：采用NIO通道或分块处理
4. 性能瓶颈：增加缓冲区大小，使用直接缓冲区
5. 并发访问：使用FileLock实现文件锁定

通过系统掌握IO流体系，开发者能够根据具体场景选择最优实现方案，在保证代码健壮性的同时显著提升IO操作效率。建议通过实际项目练习不同流组合的使用，逐步构建完整的IO处理能力。