深度解析 Java IO 系統架構與核心類別

Java IO 系統是處理資料輸入輸出的基礎設施，理解其架構對編寫高效、健壯的 IO 程式碼至關重要。本文系統梳理流的分類、裝飾器模式應用、RandomAccessFile 特性，並附完整範例程式碼。

一、流的兩大體系

Java 中所有流均繼承自四大抽象基類：InputStream、OutputStream（位元組流）、Reader、Writer（字元流）。

1. 位元組導向流

以位元組（8 bits）為單位讀寫，適用於二進位資料（圖片、聲音、序列化物件等）。

2. 字元導向流

以 Unicode 字元（16 bits）為單位，專為文字資料設計，內部自動處理編碼轉換。

兩者轉換橋樑

• InputStreamReader：位元組輸入流 → 字元讀取器
• OutputStreamWriter：位元組輸出流 → 字元寫入器

二、裝飾器模式：為流動態添加功能

FilterInputStream / FilterOutputStream 及其子類實現裝飾器模式，無需修改原始流即可增強功能。

常用裝飾類別

實戰場景：若需「先緩存再寫入檔案」，只需將 FileOutputStream 包裝為 BufferedOutputStream，再包裝為 DataOutputStream 即可同時獲得緩衝與基本型別寫入能力。

三、RandomAccessFile：隨機存取檔案

• 單一類別同時支援讀寫，構造時指定模式："r"（唯讀）、"rw"（讀寫）
• 內部維護檔案指標，可任意 seek(long pos) 跳轉
• 適合需隨機讀寫的場景（如資料庫索引、大檔案斷點續傳）

四、綜合應用範例

import java.io.*;

public class IODemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1. 緩衝逐行讀取檔案
        StringBuilder content = new StringBuilder();
        try (BufferedReader in = new BufferedReader(new FileReader("TestIO.java"))) {
            String line;
            while ((line = in.readLine()) != null) content.append(line).append("\n");
        }

        // 2. 從標準輸入讀取
        try (BufferedReader stdin = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in))) {
            System.out.println("Enter a line:");
            System.out.println(stdin.readLine());
        }

        // 3. 從字串讀取
        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
        try (PrintWriter out = new PrintWriter(new BufferedWriter(new FileWriter("TestIO.out")))) {
            try (BufferedReader br = new BufferedReader(new StringReader(content.toString()))) {
                String line; int lineNo = 1;
                while ((line = br.readLine()) != null) out.println(lineNo++ + "：" + line);
            }
        }

        // 5. 基本型別序列化與反序列化
        try (DataOutputStream dos = new DataOutputStream(new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("Data.txt")))) {
            dos.writeDouble(Math.PI);
            dos.writeChars("Pi via writeChars\n");
            dos.writeBytes("Pi via writeBytes\n");
        }
        try (DataInputStream dis = new DataInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream("Data.txt")))) {
            System.out.println(dis.readDouble());
            try (BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(dis))) {
                System.out.println(br.readLine());
                System.out.println(br.readLine());
            }
        }

        // 6. RandomAccessFile 隨機存取
        try (RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("rtest.dat", "rw")) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) raf.writeDouble(i * 1.414);
        }
        try (RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("rtest.dat", "r")) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) System.out.println("Value " + i + "：" + raf.readDouble());
        }
        try (RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("rtest.dat", "rw")) {
            raf.seek(5 * 8);  // 定位第 6 個 double
            raf.writeDouble(47.0001);
        }
    }
}

關鍵點總結

1. 根據資料性質選擇位元組流或字元流
2. 善用緩衝流（Buffered*）大幅提升 IO 效能
3. 裝飾器鏈順序影響功能組合，通常：節點流 → 緩衝流 → 功能流
4. RandomAccessFile 獨立於四大流體系，提供隨機存取能力
5. Java 7+ 建議使用 try-with-resources 自動關閉資源