Java IO 體系完整導覽：從流模型、裝飾者模式到 NIO 通道與緩衝區

什麼是 IO

IO (Input/Output) 是電腦與外部交換資料的介面。Java 核心庫 java.io 提供全面的 IO 介面：檔案讀寫、標準裝置輸出等。Java IO 以 流 為基礎進行序列化讀寫，所有資料串列化寫入輸出流或從輸入流讀入。此外，java.nio 提供 區塊 IO，支援高效能傳輸、讀寫鎖定、非同步 IO 等進階功能。

流 IO vs 區塊 IO

Java IO 類別架構 — 裝飾者模式

Java IO 採用 Decorator Pattern，依功能劃分 Stream，可動態組合所需功能：

• 根介面：InputStream / OutputStream (位元組) 、Reader / Writer (字元，自動處理編碼轉換)。
• 資料源節點：FileInputStream, ByteArrayInputStream, Socket.getInputStream() 等。
• 裝飾器：BufferedInputStream (緩衝)、DataInputStream (基本型別讀取)、GZIPInputStream (壓縮) 等，皆繼承 FilterInputStream。

實戰組合範例：緩衝檔案讀取

// 逐層包裝
FileInputStream fis = new FileInputStream("C:\\log.txt");
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);
DataInputStream dis = new DataInputStream(bis); // 可直接 readInt(), readUTF()

// 單行鏈式寫法
InputStream in = new DataInputStream(
                    new BufferedInputStream(
                      new FileInputStream("C:\\log.txt")));

Reader/Writer 字元流體系

• InputStreamReader / OutputStreamWriter：位元組流 ↔ 字元流橋樑，指定 Charset (預設平台編碼)。
• BufferedReader / BufferedWriter：行緩衝，提供 readLine(), newLine()。
• PrintWriter：格式化輸出，println() 自動刷新。

Java NIO 核心概念

1. Channel (通道)

雙向傳輸管道，對應底層檔案描述符或 Socket。主要實作：

• FileChannel：檔案隨機存取、記憶體映射、檔案鎖。
• SocketChannel, ServerSocketChannel, DatagramChannel：非阻塞網路 IO。

2. Buffer (緩衝區)

固定大小容器，保存基本型別資料 (ByteBuffer, CharBuffer, IntBuffer 等)。核心屬性：

• capacity：容量不可變。
• position：下一個讀寫位置。
• limit：尚有資料的邊界。

關鍵操作：flip() (切換寫→讀)、clear() (重置位置)、compact() (保留未讀資料)。

3. Selector (多工選擇器)

單執行緒管理成千上萬 Channel，註冊關注事件 (OP_READ, OP_WRITE, OP_ACCEPT, OP_CONNECT)，select() 阻塞直到有就緒 Channel，實現高併發 Reactor 模式。

學習路徑建議

1. 掌握 java.io 裝飾者組合模式，熟練處理文字/二進位檔案。
2. 閱讀官方教學：Introduction to Java I/O、Reading and Writing。
3. 進入 NIO：Getting Started with NIO，重點實作非阻塞 Echo Server。
4. 進階主題：AsynchronousFileChannel (JDK 7+)、MemoryMappedFile、零拷貝 FileChannel.transferTo()。