Java 程式設計學習筆記（三）：IO 流體系全景詳解

前言

IO 流是 Java 處理裝置間數據傳輸的核心抽象。本筆記系統梳理流分類、字符/位元組流轉換、核心類 API、異常處理模式、緩衝與裝飾模式、標準流重定向，並附完整代碼示例，作為學習與複習參考。

一、流分類總覽

核心原則：字符流本質是位元組流經編碼表轉換而來（InputStreamReader/OutputStreamWriter），預設使用平台編碼，跨平台必須顯式指定 UTF-8。

二、字符流核心類與實戰

1. 基礎抽象類

• Reader：read()、read(char[])、close()。
• Writer：write(int/char[]/String)、flush()、close()（關閉前自動 flush）。

2. FileReader / FileWriter — 文本文件便捷類

// 寫入（支援續寫 append=true）
try (FileWriter fw = new FileWriter("demo.txt", true)) {
    fw.write("Hello World");
    fw.write("\r\n"); // Windows 換行
} catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }

// 讀取：單字符 / 字符陣列
try (FileReader fr = new FileReader("demo.txt")) {
    int ch;
    while ((ch = fr.read()) != -1) System.out.print((char)ch);
    // 或批量讀取
    char[] buf = new char[1024];
    int len;
    while ((len = fr.read(buf)) != -1) System.out.print(new String(buf, 0, len));
}

3. 異常處理標準模式

FileWriter fw = null;
try {
    fw = new FileWriter("demo.txt");
    fw.write("data");
} catch (IOException e) {
    // 處理異常
} finally {
    if (fw != null) try { fw.close(); } catch (IOException ignored) {}
}
// JDK 7+ 推薦 try-with-resources 自動關閉
try (FileWriter fw = new FileWriter("demo.txt")) { fw.write("data"); }

4. 字符流複製文件

try (FileReader fr = new FileReader("src.txt");
     FileWriter fw = new FileWriter("dest.txt")) {
    char[] buf = new char[1024];
    int len;
    while ((len = fr.read(buf)) != -1) fw.write(buf, 0, len);
}

三、緩衝字符流：BufferedReader / BufferedWriter

核心增強

• BufferedReader.readLine()：按行讀取（不含換行符），返回 null 表示結束。
• BufferedWriter.newLine()：跨平台寫入系統換行符（line.separator）。
• 內部緩衝區（預設 8KB）減少系統調用，大幅提升效率。

緩衝複製文本文件

try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("src.txt"));
     BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("dest.txt"))) {
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) {
        bw.write(line);
        bw.newLine();
    }
}

LineNumberReader

繼承 BufferedReader，提供 getLineNumber()/setLineNumber() 追蹤行號。

四、裝飾模式在 IO 體系中的應用

結構：

• Component：Reader/Writer、InputStream/OutputStream。
• ConcreteComponent：FileReader、FileInputStream 等具體源/目的。
• Decorator：BufferedReader、InputStreamReader、OutputStreamWriter 等包裝類，構造器接收被裝飾對象。

優勢：動態組合功能（緩衝、編碼轉換、行讀取），避免繼承爆炸，符合單一職責與開閉原則。

// 典型組合鏈：文件位元組流 → 編碼轉換 → 緩衝 → 行讀取
BufferedReader br = new BufferedReader(
    new InputStreamReader(
        new FileInputStream("file.txt"), "UTF-8"));

五、位元組流核心類與實戰

FileInputStream / FileOutputStream

// 寫入位元組
try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("data.bin")) {
    fos.write("abc".getBytes()); // 字符串轉位元組陣列
}

// 讀取：單位元組 / 位元組陣列 / available() 獲取剩餘長度
try (FileInputStream fis = new FileInputStream("data.bin")) {
    byte[] buf = new byte[1024];
    int len;
    while ((len = fis.read(buf)) != -1) System.out.write(buf, 0, len);
    // available() 僅適用於文件/管道，網路流不可靠，不建議用於分配大陣列
}

位元組流複製圖片（二進制安全）

try (FileInputStream fis = new FileInputStream("src.jpg");
     FileOutputStream fos = new FileOutputStream("dest.jpg")) {
    byte[] buf = new byte[1024];
    int len;
    while ((len = fis.read(buf)) != -1) fos.write(buf, 0, len);
}

六、緩衝位元組流：BufferedInputStream / BufferedOutputStream

同字符緩衝流，裝飾位元組流提供 8KB 緩衝區，複製大文件效率顯著提升。

try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("src.jpg"));
     BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("dest.jpg"))) {
    byte[] buf = new byte[1024];
    int len;
    while ((len = bis.read(buf)) != -1) bos.write(buf, 0, len);
}

七、轉換流：位元組 ↔ 字符橋梁

• InputStreamReader(InputStream in, String charset)：位元組流 → 字符流，指定編碼。
• OutputStreamWriter(OutputStream out, String charset)：字符流 → 位元組流，指定編碼。

應用場景：指定 UTF-8 讀寫文本、鍵盤輸入按行處理、標準流重定向。

鍵盤輸入按行讀取並轉大寫

try (BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
     BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(System.out))) {
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) {
        if ("over".equals(line)) break;
        bw.write(line.toUpperCase());
        bw.newLine();
        bw.flush();
    }
}

八、標準流重定向

System.setIn(InputStream)、System.setOut(PrintStream) 可改變標準輸入/輸出裝置。

// 將鍵盤輸入重定向為文件，控制台輸出重定向為文件 → 實現文件複製
System.setIn(new FileInputStream("src.txt"));
System.setOut(new PrintStream(new FileOutputStream("dest.txt")));
// 此後 System.in 讀取來自 src.txt，System.out 寫入 dest.txt

九、流選擇決策樹（速查）

1. 源/目的：源→輸入流（InputStream/Reader），目的→輸出流（OutputStream/Writer）。
2. 數據類型：純文本→字符流（Reader/Writer）；二進制→位元組流（InputStream/OutputStream）。
3. 具體裝置：
   • 硬盤文件→FileInputStream/FileReader、FileOutputStream/FileWriter。
   • 鍵盤→System.in（位元組）→轉換→BufferedReader。
   • 控制台→System.out（位元組）→轉換→BufferedWriter/PrintStream。
   • 內存→ByteArrayInputStream/StringReader、ByteArrayOutputStream/StringWriter。
   • 網路→Socket.getInputStream()/getOutputStream()。
4. 需不需高效/進階功能：是→套 BufferedInputStream/BufferedReader、BufferedOutputStream/BufferedWriter；需指定編碼→套 InputStreamReader/OutputStreamWriter。

十、指定編碼寫入文件最佳實踐

try (BufferedWriter bw = new BufferedWriter(
        new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("utf8.txt"), "UTF-8"))) {
    bw.write("中文測試");
    bw.newLine();
}

FileWriter 無法指定編碼（固定平台預設），必須通過 OutputStreamWriter 包裝 FileOutputStream 實現。

總結

Java IO 體系雖類繁多，但遵循「源/目的 → 數據類型 → 裝置 → 功能增強」四步選型法則，配合裝飾模式動態組合，即可應對所有讀寫場景。重點掌握：字符流處理文本（指定 UTF-8）、位元組流處理二進制、緩衝流提升效率、轉換流橋接編碼、try-with-resources 保證資源釋放。