Java I/O 系統基礎知識體系：流分類、裝飾器模式、核心類對照與實戰代碼

流的本質抽象

• 流：有序資料序列，屏蔽底層設備細節（源自 UNIX 管道）。
• 方向：相對記憶體 —— 輸入流 (資料進記憶體)、輸出流 (資料出記憶體)。
• 單位：位元組流 (byte) vs 字元流 (char/UTF-16 代碼單元)。

四大抽象基類 (java.io)

所有具體流類繼承自這四個類。Reader/Writer (JDK 1.1+) 補充字元處理，介面與位元組流對稱。

兩大設計模式貫穿始終

1. 節點流 vs 過濾流 (裝飾器模式 Decorator Pattern)

• 節點流：直接連接資料源/目的地 (檔案、記憶體、網路)。
• 過濾流：包裝其他流，增加功能 (緩衝、轉碼、格式化、資料類型讀寫)。
• 鐵律：幾乎不直接用節點流，而是層層包裝：new BufferedReader(new InputStreamReader(new FileInputStream(...)))。

2. 位元組 ↔ 字元橋接 (適配器模式 Adapter Pattern)

// 位元組 → 字元 (解碼)
InputStreamReader isr = new InputStreamReader(inputStream, "UTF-8");

// 字元 → 位元組 (編碼)
OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(outputStream, "UTF-8");

核心類完整對照表

實戰代碼模板庫

1. 緩衝讀取檔案 (標準範式)

public static String readFile(String filename) throws IOException {
    try (BufferedReader in = new BufferedReader(
            new InputStreamReader(new FileInputStream(filename), StandardCharsets.UTF_8))) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        String line;
        while ((line = in.readLine()) != null) sb.append(line).append('\n');
        return sb.toString();
    }
}

2. 從記憶體字串讀取

StringReader in = new StringReader(content);
int c;
while ((c = in.read()) != -1) System.out.print((char) c);

3. 格式化寫入檔案 (帶行號)

try (PrintWriter out = new PrintWriter(
        new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(
            new FileOutputStream("out.txt"), StandardCharsets.UTF_8)))) {
    int lineNo = 1;
    String line;
    while ((line = in.readLine()) != null) out.println(lineNo++ + ": " + line);
}

4. 基本類型資料存儲與恢復 (DataInput/OutputStream)

// 寫入
try (DataOutputStream out = new DataOutputStream(
        new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("data.dat")))) {
    out.writeUTF("hello");
    out.writeDouble(1.23);
    out.writeInt(42);
}

// 讀取 (順序必須一致)
try (DataInputStream in = new DataInputStream(
        new BufferedInputStream(new FileInputStream("data.dat")))) {
    System.out.println(in.readUTF());
    System.out.println(in.readDouble());
    System.out.println(in.readInt());
}

5. RandomAccessFile 隨機讀寫

try (RandomAccessFile rf = new RandomAccessFile("data.dat", "rw")) {
    for (int i = 0; i < 7; i++) rf.writeDouble(i * 1.414);
    rf.writeUTF("End");
    rf.seek(5 * 8); // 跳到第 6 個 double
    rf.writeDouble(42.0001); // 修改
    rf.seek(0);
    for (int i = 0; i < 7; i++) System.out.println(rf.readDouble());
    System.out.println(rf.readUTF());
}

6. 物件序列化 (Serializable)

// 寫入
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(
        new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("obj.dat")))) {
    oos.writeObject(user);
}

// 讀取
try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(
        new BufferedInputStream(new FileInputStream("obj.dat")))) {
    User u = (User) ois.readObject();
}

注意：實作 Serializable，敏感欄位 transient，serialVersionUID 顯式聲明。

進階：NIO.2 現代化替代 (JDK 7+)

• Files.readAllLines(Path, Charset) / Files.write(Path, Iterable<String>, Charset, OpenOption...)
• Files.newBufferedReader(Path, Charset) / Files.newBufferedWriter(...)
• FileChannel + MappedByteBuffer：大檔案記憶體映射，隨機存取極快。
• AsynchronousFileChannel：真正非同步 I/O (AIO)。

管道流：執行緒間通訊

PipedInputStream/PipedOutputStream (或 Reader/Writer 版) 必須配對使用，一端寫入、一端讀取，實現執行緒間資料流動 (生產者-消費者)。