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Java I/O 流全景圖：字節/字符、同步/異步、裝飾者模式一網打盡

編輯：Java 相關知識

前言

Java I/O 是後端開發的基石，卻常被「流太多、易混淆、不知如何選型」所困擾。本文從設計模式、核心抽象、選型決策樹三個維度，構建完整的 I/O 知識體系，附贈高頻場景代碼模板。

一、四大核心抽象基類

抽象類	數據單位	流向	典型子類
InputStream	字節 (byte)	讀入	FileInputStream, ByteArrayInputStream, GZIPInputStream
OutputStream	字節 (byte)	寫出	FileOutputStream, ByteArrayOutputStream, GZIPOutputStream
Reader	字符 (char)	讀入	FileReader, BufferedReader, InputStreamReader
Writer	字符 (char)	寫出	FileWriter, BufferedWriter, OutputStreamWriter

二、字節流 vs 字符流：本質區別與選型鐵律

維度	字節流	字符流
讀取單位	一次讀 1 字節	按編碼表讀 1~多字節組成 1 char
適用數據	所有二進制：圖片、視頻、音頻、序列化對象	純文本：XML、JSON、CSV、日誌、屬性文件
編碼處理	無感知，原樣傳輸	內建編碼轉換（默認平台編碼，建議顯式指定 UTF-8）
性能	無轉換開銷	編碼/解碼額外 CPU

選型鐵律：處理純文本 → 字符流（Reader/Writer）；其他一切 → 字節流（InputStream/OutputStream）。

三、裝飾者模式：流的靈活組合藝術

Java I/O 大量使用裝飾者模式，通過層層包裝賦予流新能力：

// 經典組合：文件 → 緩衝 → 字符編碼 → 行讀取
BufferedReader reader = new BufferedReader(
    new InputStreamReader(
        new FileInputStream("data.txt"), StandardCharsets.UTF_8
    )
);

// 寫出組合：文件 → 緩衝 → 字符編碼
BufferedWriter writer = new BufferedWriter(
    new OutputStreamWriter(
        new FileOutputStream("out.txt"), StandardCharsets.UTF_8
    )
);

常用裝飾器速查表

裝飾器	賦能	適用流
BufferedInputStream/OutputStream	緩衝，減少系統調用	字節流
BufferedReader/Writer	緩衝 + readLine()	字符流
DataInputStream/OutputStream	基本類型序列化	字節流
ObjectInputStream/OutputStream	對象序列化	字節流
GZIPInputStream/OutputStream	壓縮/解壓	字節流
InputStreamReader/OutputStreamWriter	字節⇄字符橋樑（指定編碼）	跨層轉換
PrintStream/PrintWriter	格式化輸出、不拋異常	字節/字符流

四、現代 I/O：NIO.2 與 NIO（非阻塞）

Files API (Java 7+) - 文件操作首選

// 讀取所有行（自動關閉、指定編碼）
List<String> lines = Files.readAllLines(Paths.get("data.txt"), StandardCharsets.UTF_8);

// 大文件流式處理（常數內存）
try (Stream<String> stream = Files.lines(path, StandardCharsets.UTF_8)) {
    stream.filter(s -> s.startsWith("ERROR")).forEach(System.out::println);
}

// 複制/移動/刪除（原子性選項）
Files.copy(src, dest, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
Files.move(src, dest, StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE);

NIO 非阻塞 I/O (Java 1.4+) - 高併發網絡基石

核心三件套：Channel、Buffer、Selector
單線程管理成千上萬連接（Netty、Tomcat NIO、Jetty 底層皆基於此）
應用層直接使用 Netty 等框架，極少手寫 Selector 循環

五、高頻場景代碼模板

5.1 文本文件讀寫（標準模板）

// 讀取
public List<String> readLines(Path path) throws IOException {
    return Files.readAllLines(path, StandardCharsets.UTF_8);
}

// 寫入（覆蓋模式）
public void writeLines(Path path, Collection<String> lines) throws IOException {
    Files.write(path, lines, StandardCharsets.UTF_8, 
                StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.TRUNCATE_EXISTING);
}

5.2 大文件複製（緩衝流 + try-with-resources）

public void copyLargeFile(Path src, Path dest) throws IOException {
    try (InputStream in = new BufferedInputStream(Files.newInputStream(src));
         OutputStream out = new BufferedOutputStream(Files.newOutputStream(dest))) {
        byte[] buffer = new byte[8192];
        int len;
        while ((len = in.read(buffer)) != -1) {
            out.write(buffer, 0, len);
        }
    }
}

5.3 對象序列化/反序列化

public void serialize(Object obj, Path file) throws IOException {
    try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(
            new BufferedOutputStream(Files.newOutputStream(file)))) {
        oos.writeObject(obj);
    }
}

public Object deserialize(Path file) throws IOException, ClassNotFoundException {
    try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(
            new BufferedInputStream(Files.newInputStream(file)))) {
        return ois.readObject();
    }
}

六、避坑指南

❌ new FileReader(file) → 不指定編碼，跨平台亂碼隱患
✅ new InputStreamReader(Files.newInputStream(file), StandardCharsets.UTF_8)
❌ 手動 close() 易漏 → ✅ try-with-resources 自動關閉（Java 7+）
❌ available() 判斷文件大小 → 不可靠（網絡流、壓縮流返回 0）
✅ Files.size(path) 或 File.length()
❌ 序列化未聲明 serialVersionUID → 版本升級反序列化失敗
✅ 顯式聲明 private static final long serialVersionUID = 1L;