Java中的Java I/O流体系详解

描述
Java I/O流是Java中处理输入输出的核心机制，提供了读写各种数据源（文件、网络、内存等）的统一抽象。I/O流体系庞大而复杂，理解其层次结构和设计思想对编写高效、正确的I/O程序至关重要。

知识要点讲解

1. I/O流的基本概念与分类

• 流（Stream）：数据流动的抽象概念，数据从源（Source）流向目标（Sink）
• 按流向分类：
  • 输入流（InputStream/Reader）：从数据源读取数据到程序
  • 输出流（OutputStream/Writer）：从程序写出数据到目标
• 按数据类型分类：
  • 字节流：以字节（8bit）为单位，可处理所有类型数据
  • 字符流：以字符（16bit）为单位，专门处理文本数据，支持字符编码

2. 字节流体系结构

• 顶层抽象类：
  • InputStream：所有字节输入流的父类
  • OutputStream：所有字节输出流的父类
• 核心方法：

  // InputStream
  int read() // 读取单个字节
  int read(byte[] b) // 读取到字节数组
  void close() // 关闭流
  
  // OutputStream  
  void write(int b) // 写入单个字节
  void write(byte[] b) // 写入字节数组
  void flush() // 刷新缓冲区
  void close() // 关闭流
  

3. 字符流体系结构

• 设计目的：解决字节流处理文本时的编码问题
• 顶层抽象类：
  • Reader：所有字符输入流的父类
  • Writer：所有字符输出流的父类
• 核心方法：

  // Reader
  int read() // 读取单个字符
  int read(char[] cbuf) // 读取到字符数组
  
  // Writer
  void write(int c) // 写入单个字符
  void write(char[] cbuf) // 写入字符数组
  void write(String str) // 写入字符串
  

4. 装饰器模式在I/O流中的应用

• 设计思想：通过组合方式动态扩展功能
• 工作方式：装饰器类包裹被装饰的流对象
• 典型装饰器：
  • BufferedInputStream/BufferedOutputStream：提供缓冲功能
  • DataInputStream/DataOutputStream：支持基本数据类型读写
  • BufferedReader/BufferedWriter：字符流的缓冲功能
  • PrintStream/PrintWriter：格式化输出

5. 文件I/O操作详解

• 文件字节流：

  // 文件复制示例
  try (FileInputStream fis = new FileInputStream("source.txt");
       FileOutputStream fos = new FileOutputStream("target.txt")) {
      byte[] buffer = new byte[1024];
      int length;
      while ((length = fis.read(buffer)) != -1) {
          fos.write(buffer, 0, length);
      }
  }
  

• 文件字符流：

  // 文本文件读取示例（带缓冲）
  try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader("text.txt"))) {
      String line;
      while ((line = reader.readLine()) != null) {
          System.out.println(line);
      }
  }
  

6. 转换流：字节流与字符流的桥梁

• InputStreamReader：将字节输入流转换为字符输入流
• OutputStreamWriter：将字符输出流转换为字节输出流
• 编码处理：

  // 指定字符编码读取文件
  Reader reader = new InputStreamReader(
      new FileInputStream("file.txt"), "UTF-8");
  

7. 对象序列化流

• ObjectInputStream/ObjectOutputStream：实现Java对象序列化
• 序列化要求：实现Serializable接口
• transient关键字：标记不被序列化的字段
• serialVersionUID：控制版本兼容性

8. 其他重要流类

• 字节数组流：ByteArrayInputStream/ByteArrayOutputStream
• 数据流：DataInputStream/DataOutputStream（读写基本数据类型）
• 打印流：PrintStream/PrintWriter（格式化输出）
• 管道流：PipedInputStream/PipedOutputStream（线程间通信）

9. NIO.2中的Files类（Java 7+）

• 简化文件操作：提供静态方法完成常见文件任务
• 示例代码：

  // 读取所有行
  List<String> lines = Files.readAllLines(Paths.get("file.txt"));
  // 写入文件
  Files.write(Paths.get("output.txt"), content.getBytes());
  

10. 最佳实践与注意事项

• 使用try-with-resources：自动关闭资源，避免资源泄漏
• 合理使用缓冲：减少I/O操作次数，提升性能
• 注意字符编码：明确指定字符集，避免乱码问题
• 大文件处理：使用缓冲和分块读写，避免内存溢出

通过理解Java I/O流的层次结构和设计模式，可以更灵活地选择适合的流类来处理不同的I/O场景，写出高效可靠的I/O代码。