Java I/O 流體系深度解析：從基礎概念到高效讀寫實戰

流的核心抽象

Java I/O 採用流模型：資料像水流一樣在來源與目的地之間傳輸。核心在於裝飾者模式，透過層層包裝賦予額外功能 (緩衝、轉碼、物件序列化等)。

四大流家族

關鍵裝飾者類別

• 緩衝：`BufferedInputStream`、`BufferedReader` — 大幅減少系統呼叫，必加。
• 資料型別：`DataInputStream`/`DataOutputStream` (基本型別)、`ObjectInputStream`/`ObjectOutputStream` (序列化)。
• 列印：`PrintStream` (`System.out`)、`PrintWriter` — 自動 flush、不拋出 IOException。
• 檔案：`FileInputStream`、`FileReader`、`FileWriter` — 節點流，直接操作檔案。

實戰範例：高效讀寫最佳實踐

1. 讀取文字檔 (推薦 Java 7+ try-with-resources)

// 逐行讀取，自動關閉資源
public List<String> readLines(Path path, Charset charset) throws IOException {
    try (BufferedReader reader = Files.newBufferedReader(path, charset)) {
        return reader.lines().collect(Collectors.toList()); // Java 8 Stream API
    }
}

// 或手動處理
try (BufferedReader br = new BufferedReader(
        new InputStreamReader(new FileInputStream("data.txt"), StandardCharsets.UTF_8))) {
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) {
        process(line);
    }
}

2. 寫入文字檔

public void writeLines(Path path, List<String> lines, Charset charset) throws IOException {
    try (BufferedWriter writer = Files.newBufferedWriter(path, charset,
            StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.TRUNCATE_EXISTING)) {
        for (String line : lines) {
            writer.write(line);
            writer.newLine(); // 平台無關換行
        }
    }
}

3. 二進位檔案複製 (NIO.2 高效)

// 內部使用零拷貝 或直接緩衝區傳輸，極快
Files.copy(sourcePath, targetPath, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);

// 手動緩衝複製 (傳統 IO)
try (InputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream(src));
     OutputStream out = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(dest))) {
    byte[] buffer = new byte[8192];
    int len;
    while ((len = in.read(buffer)) != -1) {
        out.write(buffer, 0, len);
    }
}

4. 標準輸入互動 (Scanner vs BufferedReader)

// 簡單解析用 Scanner
try (Scanner sc = new Scanner(System.in, StandardCharsets.UTF_8.name())) {
    System.out.print("請輸入長方形長: ");
    double len = sc.nextDouble();
    System.out.print("請輸入寬: ");
    double wid = sc.nextDouble();
    System.out.printf("面積: %.2f%n", len * wid);
}

// 高效能/大量資料用 BufferedReader
try (BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))) {
    System.out.print("輸入: ");
    String input = br.readLine();
}

進階主題：NIO 與 NIO.2

• Channel & Buffer：`FileChannel`、`ByteBuffer` — 非阻塞、記憶體映射檔 (`MappedByteBuffer`)、分散/聚集讀寫。
• Selector：單執行緒管理多 Channel，高併發網路伺服器核心 (Netty 底層基礎)。
• Path & Files API (NIO.2)：現代檔案系統操作 (屬性、走訪、監聽 `WatchService`)。

常見錯誤與效能建議

1. ❌ 直接用 `FileReader`/`FileWriter` (無緩衝、預設編碼不可控) → ✅ 显式指定 `StandardCharsets.UTF_8` + `BufferedReader/Writer`。
2. ❌ 單位元組 `read()`/`write()` 循環 → ✅ 使用 `byte[8192]` 緩衝陣列或 `transferTo()`。
3. ❌ 忘記 `close()` → ✅ 強制使用 `try-with-resources`。
4. ❌ 序列化 `ObjectOutputStream` 長期儲存 → ✅ 改用 JSON/Protobuf/Avro，版本相容性更好。