Java I/O 流體系全景圖：從字節流到字符流，從阻塞到 NIO.2

核心抽象：流的本質

流 是有序數據序列的傳輸通道，屏蔽了底層設備差異（文件、網絡、內存、管道）。Java I/O 採用裝飾器模式，通過組合不同流類實現功能疊加。

四大抽象基類（字節/字符 × 輸入/輸出）

轉換橋樑：InputStreamReader (字節→字符)、OutputStreamWriter (字符→字節)，核心參數是 Charset。

節點流 vs 處理流（裝飾器）

• 節點流：直接操作數據源/目的地。
  FileInputStream, FileReader, ByteArrayInputStream, PipedInputStream
• 處理流：包裝節點流或其他處理流，提供增強功能。
  BufferedInputStream, DataInputStream, ObjectInputStream, BufferedReader, PrintWriter

設計模式體現：`FilterInputStream` 為裝飾器基類，構造函數接收 `InputStream`，所有 `read()` 委托給被包裝流，子類覆寫增加邏輯（如緩衝、數據類型轉換）。

常用流組合速查表

字符編碼：避坑指南

// ❌ 錯誤：依賴平台默認編碼，跨平台亂碼
new FileReader("file.txt");
new FileWriter("file.txt");

// ✅ 正確：顯式指定 UTF-8
new InputStreamReader(new FileInputStream("file.txt"), StandardCharsets.UTF_8);
new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("file.txt"), StandardCharsets.UTF_8);

// Java 11+ 更簡潔
Files.newBufferedReader(path, StandardCharsets.UTF_8);
Files.newBufferedWriter(path, StandardCharsets.UTF_8);

獲取系統默認編碼：`Charset.defaultCharset()` 或 `System.getProperty("file.encoding")`。

NIO (New I/O) 與 NIO.2 現代化升級

NIO 核心三大組件 (JDK 1.4)

• Channel (通道)：雙向、可非阻塞。`FileChannel`, `SocketChannel`, `ServerSocketChannel`, `DatagramChannel`
• Buffer (緩衝區)：固定大小容器。`ByteBuffer`, `CharBuffer`, `IntBuffer`... 核心屬性：capacity, position, limit。操作：`flip()`, `clear()`, `compact()`, `rewind()`
• Selector (選擇器)：多路復用器，單線程管理多 Channel，事件驅動 (OP_READ, OP_WRITE, OP_CONNECT, OP_ACCEPT)

NIO.2 文件系統 API (JDK 7+) —— 實際開發主力

// Path 操作
Path path = Paths.get("/data", "logs", "app.log");
Path abs = path.toAbsolutePath();
Path rel = base.relativize(path);
Path resolved = path.resolveSibling("backup.log");

// 文件屬性
BasicFileAttributes attrs = Files.readAttributes(path, BasicFileAttributes.class);
attrs.creationTime(); attrs.size(); attrs.isDirectory();

// 遍歷目錄樹 (流式、可並行)
Files.walk(root, 3) // 最大深度
    .filter(p -> p.toString().endsWith(".log"))
    .forEach(System.out::println);

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

// 讀寫小文件 (一行代碼)
List lines = Files.readAllLines(path, StandardCharsets.UTF_8);
Files.write(path, lines, StandardCharsets.UTF_8, StandardOpenOption.CREATE);

// 大文件流式處理
try (Stream lines = Files.lines(path)) {
    lines.filter(s -> s.contains("ERROR")).forEach(System.out::println);
}

RandomAccessFile：特殊的隨機訪問者

不屬於流體系，直接繼承 `Object`，實現 `DataInput`/`DataOutput`。模式："r" (只讀)、"rw" (讀寫)、"rws" (同步元數據)、"rwd" (同步數據)。
核心方法：seek(long pos) 移動文件指針，getFilePointer() 獲取當前位置，setLength(long len) 截斷/擴展文件。
現代替代：`FileChannel` + `MappedByteBuffer` (內存映射文件) 性能更優。

最佳實踐總結

1. 文本處理首選：`Files.newBufferedReader/Writer` (JDK 11+) 或 `BufferedReader/Writer` + 顯式 UTF-8。
2. 二進制高效複製：`FileChannel.transferTo/From` (零拷貝) 或 `BufferedInputStream/OutputStream` 8KB+ 緩衝。
3. 資源管理：強制使用 try-with-resources，避免泄漏。
4. 序列化慎用：首選 JSON/Protobuf/Avro；必須用 Java 序列化時，鎖定 `serialVersionUID`，防範反序列化漏洞。
5. 大文件處理：流式 API (`Files.lines`, `Files.walk`)、內存映射 (`FileChannel.map`)、分片並行。
6. 網絡 I/O：高併發選 Netty (基於 NIO)，簡單場景 `SocketChannel` + `Selector`。

總結

Java I/O 經歷了三代演進：BIO (流裝飾器) → NIO (Channel/Buffer/Selector) → NIO.2 (Path/Files/Async)。理解字節/字符轉換、裝飾器組合、緩衝機制、編碼指定、NIO.2 文件 API 是寫出健壯、高效 I/O 代碼的關鍵。現代項目以 NIO.2 為主，Netty 處理網絡，避免直接操作 Selector 和舊式流組合。