Java I/O 體系深度解析：從流、裝飾者模式到 NIO 基石

一、輸入/輸出流的兩大家族

Java I/O 的核心抽象是 Stream（流）—— 代表資料源或資料目的地。所有流分為兩大體系：

• 位元組流（Byte Stream）：以 8-bit 位元組為單位，處理圖片、聲音、二進位檔案。基類為 InputStream/OutputStream。
• 字元流（Character Stream）：以 16-bit Unicode 字元為單位，處理文字檔案。基類為 Reader/Writer，內部自動處理編碼轉換。

1.1 位元組流主要實作

1.2 字元流主要實作

字元流與位元組流一一對應，差異在於 編碼/解碼 由 InputStreamReader/OutputStreamWriter 自動完成（預設平台編碼或指定 Charset）。

二、橋接兩大體系：InputStreamReader / OutputStreamWriter

// 位元組流 → 字元流（指定 UTF-8 編碼）
Reader  in  = new InputStreamReader(new FileInputStream("data.txt"), StandardCharsets.UTF_8);
Writer  out = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("out.txt"), StandardCharsets.UTF_8);

這是處理中文等非 ASCII 文字檔的標準做法，避免平台預設編碼不一致導致亂碼。

三、裝飾者模式：為流動態添加功能

Java I/O 大量使用 Decorator Pattern，透過 FilterInputStream/FilterOutputStream 及其子類，在不修改原始流的前提下疊加功能：

實戰範例：帶緩衝、格式化的檔案寫入

try (PrintWriter pw = new PrintWriter(
        new BufferedWriter(new FileWriter("log.txt", StandardCharsets.UTF_8)))) {
    pw.printf("Line %d: %s%n", 1, "Hello Decorator");
}

四、RandomAccessFile：隨機存取檔案

• 同時實作 DataInput、DataOutput 介面，支援基本型別讀寫。
• 建構子指定模式："r" 唯讀、"rw" 讀寫、"rws"/"rwd" 同步寫入。
• seek(long pos) 移動檔案指標，實現隨機讀寫（如資料庫索引、斷點續傳）。

五、綜合應用範例（TestIO.java 重構版）

import java.io.*;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class ModernIOdemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1. 帶緩衝逐行讀取檔案
        StringBuilder content = new StringBuilder();
        try (BufferedReader br = new BufferedReader(
                new InputStreamReader(new FileInputStream("src/TestIO.java"), StandardCharsets.UTF_8))) {
            String line;
            while ((line = br.readLine()) != null) content.append(line).append('\n');
        }

        // 2. 從鍵盤讀取一行（同樣用 BufferedReader 包裝 System.in）
        try (BufferedReader console = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))) {
            System.out.print("Enter a line: ");
            System.out.println(console.readLine());
        }

        // 3. 從字串讀取（StringReader）
        try (StringReader sr = new StringReader(content.toString())) {
            int c;
            while ((c = sr.read()) != -1) System.out.print((char)c);
        }

        // 4. 格式化寫入檔案（行號 + 內容）
        try (BufferedReader br = new BufferedReader(new StringReader(content.toString()));
             PrintWriter pw = new PrintWriter(new BufferedWriter(
                     new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("TestIO.out"), StandardCharsets.UTF_8)))) {
            String line; int n = 1;
            while ((line = br.readLine()) != null) pw.println(n++ + ": " + line);
        }

        // 5. 基本型別序列化/反序列化（DataOutputStream/DataInputStream）
        try (DataOutputStream dos = new DataOutputStream(
                new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("data.bin")))) {
            dos.writeDouble(Math.PI);
            dos.writeUTF("\nThis was pi: writeUTF\n");
            dos.writeBytes("This was pi: writeBytes\n");
        }
        try (DataInputStream dis = new DataInputStream(
                new BufferedInputStream(new FileInputStream("data.bin")))) {
            System.out.println(dis.readDouble());
            System.out.println(dis.readUTF());
            System.out.println(dis.readLine()); // 對應 writeBytes
        }

        // 6. RandomAccessFile 隨機寫入/讀取 double 陣列
        try (RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("rtest.dat", "rw")) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) raf.writeDouble(i * 1.414);
            raf.seek(5 * 8); // 第 6 個 double (索引 5)
            raf.writeDouble(47.0001);
            raf.seek(0);
            for (int i = 0; i < 10; i++) System.out.println("Value " + i + ": " + raf.readDouble());
        }
    }
}

六、關鍵觀念回顧

1. 流的方向：相對於程式（記憶體），Input = 讀入，Output = 寫出。
2. 裝飾鏈順序：new Outer(new Middle(new Inner(source)))，外層功能優先生效（如 BufferedReader 先緩衝，再由 FileReader 讀檔）。
3. 編碼顯式化：所有跨平台文字 I/O 必須指定 StandardCharsets.UTF_8，切勿依賴預設值。
4. 資源管理：JDK 7+ 必須使用 try-with-resources 確保流關閉，避免檔案鎖定與記憶體洩漏。