一、Java IO流体系全景图

Java IO流是处理输入输出的核心API，其设计遵循装饰者模式，通过组合实现功能的扩展。整个体系可分为四大类：

1. 字节流：处理二进制数据（InputStream/OutputStream）
2. 字符流：处理文本数据（Reader/Writer）
3. 对象流：序列化与反序列化（ObjectInputStream/ObjectOutputStream）
4. 缓冲流：提升IO效率（BufferedInputStream等）

1.1 核心接口与实现类

接口类型	核心接口	典型实现类	适用场景
字节输入流	InputStream	FileInputStream, ByteArrayInputStream	文件/内存二进制读取
字节输出流	OutputStream	FileOutputStream, ByteArrayOutputStream	文件/内存二进制写入
字符输入流	Reader	FileReader, InputStreamReader	文本文件读取
字符输出流	Writer	FileWriter, OutputStreamWriter	文本文件写入

设计亮点：所有流类都通过装饰者模式实现功能叠加，例如：

// 基础文件读取 + 缓冲 + 字符编码转换
try (InputStream is = new FileInputStream("test.txt");
     Reader reader = new InputStreamReader(is, "UTF-8");
     BufferedReader br = new BufferedReader(reader)) {
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) {
        System.out.println(line);
    }
}

二、字节流深度解析

2.1 文件字节流实战

FileInputStream/FileOutputStream 是最基础的文件操作类：

// 文件复制示例（字节流）
public static void copyFile(String src, String dest) throws IOException {
    try (FileInputStream fis = new FileInputStream(src);
         FileOutputStream fos = new FileOutputStream(dest)) {
        byte[] buffer = new byte[8192]; // 8KB缓冲区
        int bytesRead;
        while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {
            fos.write(buffer, 0, bytesRead);
        }
    }
}

性能优化点：

• 使用缓冲区（推荐8KB）
• 采用try-with-resources自动关闭资源
• 大文件处理时考虑NIO的FileChannel

2.2 过滤流的高级应用

DataInputStream/DataOutputStream 提供基本数据类型读写：

try (DataOutputStream dos = new DataOutputStream(
        new FileOutputStream("data.bin"))) {
    dos.writeInt(1024);
    dos.writeDouble(3.14);
    dos.writeUTF("Java IO");
}
try (DataInputStream dis = new DataInputStream(
        new FileInputStream("data.bin"))) {
    System.out.println(dis.readInt());
    System.out.println(dis.readDouble());
    System.out.println(dis.readUTF());
}

三、字符流进阶技巧

3.1 编码问题解决方案

字符流处理的核心是编码转换，常见编码方案：

• UTF-8：变长编码，兼容ASCII
• GBK：中文双字节编码
• ISO-8859-1：单字节拉丁编码

编码转换示例：

// GBK文件转UTF-8
try (Reader reader = new InputStreamReader(
        new FileInputStream("gbk.txt"), "GBK");
     Writer writer = new OutputStreamWriter(
        new FileOutputStream("utf8.txt"), "UTF-8")) {
    char[] buffer = new char[1024];
    int len;
    while ((len = reader.read(buffer)) != -1) {
        writer.write(buffer, 0, len);
    }
}

3.2 高效文本处理

BufferedReader 的readLine()方法可显著提升文本读取效率：

// 逐行读取大文本文件
List<String> lines = new ArrayList<>();
try (BufferedReader br = new BufferedReader(
        new FileReader("large.txt"))) {
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) {
        lines.add(line);
    }
}

四、IO流设计模式解析

Java IO采用经典的装饰者模式，其结构如下：

Component
│── ConcreteComponent (FileInputStream)
│── Decorator (FilterInputStream)
│   │── BufferedInputStream
│   │── DataInputStream
│   └── PushbackInputStream
└── 其他装饰器...

动态组合示例：

// 组合使用缓冲流+数据流
try (InputStream is = new FileInputStream("data.bin");
     BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(is);
     DataInputStream dis = new DataInputStream(bis)) {
    // 享受缓冲+类型安全读取的双重优势
    int value = dis.readInt();
}

五、IO性能优化实战

5.1 缓冲区大小选择

通过实验验证最佳缓冲区大小：

public static void testBufferSize() {
    long startTime, endTime;
    byte[] data = new byte[1024 * 1024]; // 1MB测试数据
    for (int bufSize = 1; bufSize <= 1024*1024; bufSize *= 2) {
        startTime = System.nanoTime();
        copyWithBuffer("src.bin", "dest.bin", bufSize);
        endTime = System.nanoTime();
        System.out.printf("Buffer size: %dKB, Time: %.2fms%n", 
            bufSize/1024, (endTime-startTime)/1e6);
    }
}
// 测试表明8KB-32KB缓冲区在大多数场景下性能最优

5.2 NIO对比传统IO

特性	BIO	NIO
阻塞模式	同步阻塞	非阻塞/异步
缓冲区管理	字节流/字符流	Channel+Buffer
适用场景	小文件/低并发	大文件/高并发

六、附赠：Java IO脑图使用指南

完整脑图包含五个维度：

1. 流分类体系：字节流/字符流/对象流/缓冲流
2. 核心接口方法：read()/write()/flush()等
3. 典型应用场景：文件传输/网络通信/序列化
4. 性能优化点：缓冲区大小/装饰者组合/NIO替代
5. 异常处理机制：IOException体系

脑图应用示例：

• 快速定位适合大文件传输的流组合：
  FileChannel(NIO) + ByteBuffer + 内存映射
• 设计文本处理流水线：
  FileReader → InputStreamReader(UTF-8) → BufferedReader → 业务处理

七、常见问题解决方案

1. 中文乱码：

   // 错误示范
   new InputStreamReader(new FileInputStream("chinese.txt"));
   // 正确做法
   new InputStreamReader(new FileInputStream("chinese.txt"), "UTF-8");

2. 资源泄漏防范：

   • 始终使用try-with-resources
   • 避免在finally块中手动关闭（可能抛出异常）

3. 大文件处理：

   // 使用内存映射文件（NIO）
   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
   }

本文配套脑图可通过关注公众号回复”JavaIO”获取高清版，包含完整的类继承关系图和典型应用场景决策树。下一期将深入解析NIO核心组件及零拷贝技术实现原理。”