一、IO流的核心概念与分类

IO流（Input/Output Stream）是Java中处理数据输入输出的核心机制，通过抽象类InputStream/OutputStream（字节流）和Reader/Writer（字符流）构建层次化体系。其核心价值在于统一数据源与目标的访问方式，无论是文件、网络还是内存，均可通过相同的流操作接口处理。

1.1 流的分类维度

• 数据类型：字节流（处理二进制数据，如图片、音频）与字符流（处理文本，自动处理字符编码）。
• 流向：输入流（InputStream/Reader）从数据源读取，输出流（OutputStream/Writer）向目标写入。
• 功能：节点流（直接连接数据源，如FileInputStream）与处理流（对节点流包装增强功能，如BufferedInputStream）。

1.2 核心类体系

• 字节流基类：

  public abstract class InputStream {
      public abstract int read() throws IOException; // 读取单个字节
      public int read(byte[] b) throws IOException; // 批量读取
  }
  public abstract class OutputStream {
      public abstract void write(int b) throws IOException; // 写入单个字节
      public void write(byte[] b) throws IOException; // 批量写入
  }

• 字符流基类：

  public abstract class Reader {
      public int read() throws IOException; // 读取单个字符
      public int read(char[] cbuf) throws IOException; // 批量读取
  }
  public abstract class Writer {
      public void write(int c) throws IOException; // 写入单个字符
      public void write(char[] cbuf) throws IOException; // 批量写入
  }

二、字节流与字符流的深度对比

2.1 适用场景差异

• 字节流：适用于所有二进制数据，如复制图片文件：

  try (InputStream in = new FileInputStream("input.jpg");
       OutputStream out = new FileOutputStream("output.jpg")) {
      byte[] buffer = new byte[8192];
      int bytesRead;
      while ((bytesRead = in.read(buffer)) != -1) {
          out.write(buffer, 0, bytesRead);
      }
  }

• 字符流：专为文本设计，自动处理字符编码转换：

  try (Reader reader = new FileReader("input.txt", StandardCharsets.UTF_8);
       Writer writer = new FileWriter("output.txt", StandardCharsets.UTF_8)) {
      char[] buffer = new char[1024];
      int charsRead;
      while ((charsRead = reader.read(buffer)) != -1) {
          writer.write(buffer, 0, charsRead);
      }
  }

2.2 编码问题处理

字符流通过Charset指定编码，避免字节流直接操作文本时的乱码问题。例如，使用OutputStreamWriter转换字节流为字符流：

try (OutputStream os = new FileOutputStream("text.txt");
     Writer writer = new OutputStreamWriter(os, StandardCharsets.UTF_8)) {
    writer.write("中文测试");
}

三、处理流的高级应用

3.1 缓冲流优化

BufferedInputStream/BufferedOutputStream通过内存缓冲区减少系统调用次数，提升I/O效率：

try (InputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("large.dat"));
     OutputStream out = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("copy.dat"))) {
    byte[] buffer = new byte[8192]; // 8KB缓冲区
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = in.read(buffer)) != -1) {
        out.write(buffer, 0, bytesRead);
    }
}

实测显示，缓冲流可使I/O速度提升3-5倍。

3.2 数据流与对象流

• 数据流（DataInputStream/DataOutputStream）：支持基本类型读写。

  try (DataOutputStream dos = new DataOutputStream(new FileOutputStream("data.bin"))) {
      dos.writeInt(100);
      dos.writeDouble(3.14);
      dos.writeUTF("字符串");
  }

• 对象流（ObjectInputStream/ObjectOutputStream）：实现序列化与反序列化。

  // 序列化
  try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("obj.ser"))) {
      oos.writeObject(new Person("张三", 25));
  }
  // 反序列化
  try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("obj.ser"))) {
      Person p = (Person) ois.readObject();
  }

四、NIO流式处理革新

Java NIO通过Channel和Buffer重构I/O模型，支持非阻塞与异步操作：

// 文件通道复制
try (FileChannel inChannel = FileChannel.open(Paths.get("source.txt"));
     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
        outChannel.write(buffer);
        buffer.clear(); // 清空缓冲区
    }
}

NIO优势在于：

• 内存映射：FileChannel.map()实现大文件高效处理。
• 零拷贝：FileChannel.transferFrom()减少数据复制次数。

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. 组合流：灵活叠加处理流（如BufferedReader(InputStreamReader(FileInputStream))）。
4. 异常处理：区分可恢复异常（如IOException）与不可恢复错误。
5. NIO适用场景：处理大文件、高并发网络通信时优先选择。

六、常见问题解决方案

1. 中文乱码：统一字符流编码，避免混合使用字节流与字符流。
2. 流未关闭：使用try-with-resources或finally块确保释放资源。
3. 大文件处理：采用NIO内存映射或分块读取策略。
4. 序列化兼容：为类添加serialVersionUID字段保持版本一致性。

通过系统掌握IO流的分类、核心类及优化技巧，开发者能够高效处理从文本文件到网络数据的各类I/O需求，为构建高性能应用奠定基础。