Java I/O 體系全景指南：流、隨機訪問、文件操作與最佳實踐

Java I/O 兩大體系

Java I/O 分為字節流（InputStream/OutputStream）處理二進制數據，與字符流（Reader/Writer）處理文本數據。字符流本質是字節流經過編解碼器（CharsetDecoder/Encoder）包裝。

一、字節流體系

核心節點流

• FileInputStream/FileOutputStream：文件讀寫，常配合緩衝流使用。
• ByteArrayInputStream/ByteArrayOutputStream：內存字節數組緩衝。
• ObjectInputStream/ObjectOutputStream：對象序列化/反序列化。
• PipedInputStream/PipedOutputStream：線程間管道通信。

裝飾器模式：緩衝流提升性能

直接讀寫磁盤開銷大，BufferedInputStream/BufferedOutputStream 內部維護 8KB 默認緩衝區，大幅減少系統調用次數。

文件讀寫最佳實踐（Try-with-resources）

public static byte[] readFileBytes(Path path) throws IOException {
    try (InputStream in = Files.newInputStream(path);
         ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream()) {
        byte[] buffer = new byte[8192];
        int len;
        while ((len = in.read(buffer)) != -1) {
            out.write(buffer, 0, len);
        }
        return out.toByteArray();
    }
}

public static void copyFile(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);
        }
    }
}

關鍵點：Files.newInputStream 返回 InputStream，配合 BufferedInputStream 使用；JDK 9+ 可直接用 Files.copy(src, dest, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING) 一行完成。

二、字符流體系

核心節點流

• FileReader/FileWriter：默認平台編碼讀寫文本（生產環境慎用，指定編碼）。
• InputStreamReader/OutputStreamWriter：字節流轉字符流橋樑，可顯式指定 Charset。
• BufferedReader/BufferedWriter：按行讀寫，高效處理文本。
• PrintWriter：格式化輸出，含 println/printf。

文本文件處理示例

public static String readTextFile(Path path, Charset charset) throws IOException {
    try (BufferedReader reader = Files.newBufferedReader(path, charset)) {
        return reader.lines().collect(Collectors.joining(System.lineSeparator()));
    }
}

public static void writeTextFile(Path path, String content, Charset charset) throws IOException {
    try (BufferedWriter writer = Files.newBufferedWriter(path, charset, StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.TRUNCATE_EXISTING)) {
        writer.write(content);
    }
}

三、隨機訪問：RandomAccessFile

RandomAccessFile 同時實現 DataInput/DataOutput，支持文件指針定位（seek）、讀寫模式（"rw"），適合斷點續傳、大文件隨機修改、簡易索引實現。

public static void writeAtPosition(Path file, byte[] data, long position) throws IOException {
    try (RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file.toFile(), "rw")) {
        raf.seek(position);
        raf.write(data);
    }
}

public static byte[] readAtPosition(Path file, long position, int length) throws IOException {
    try (RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file.toFile(), "r")) {
        raf.seek(position);
        byte[] buf = new byte[length];
        raf.readFully(buf);
        return buf;
    }
}

四、NIO.2 現代文件 API (JDK 7+)

java.nio.file 包提供更豐富、異步、符號鏈接感知的文件操作。

常用操作一覽

// 移動/重命名（原子性）
Files.move(src, dest, StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);

// 複制目錄樹
Files.walkFileTree(src, new SimpleFileVisitor() {
    @Override public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
        Files.copy(file, dest.resolve(src.relativize(file)), StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
        return FileVisitResult.CONTINUE;
    }
    @Override public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
        Files.createDirectories(dest.resolve(src.relativize(dir)));
        return FileVisitResult.CONTINUE;
    }
});

// 遞歸刪除
Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor() {
    @Override public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
        Files.delete(file); return FileVisitResult.CONTINUE;
    }
    @Override public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) throws IOException {
        Files.delete(dir); return FileVisitResult.CONTINUE;
    }
});

// 獲取目錄大小
long size = Files.walk(dir).filter(Files::isRegularFile).mapToLong(p -> p.toFile().length()).sum();

// 大文件分片
public static void splitFile(Path file, long chunkSize) throws IOException {
    try (InputStream in = Files.newInputStream(file)) {
        byte[] buffer = new byte[(int) chunkSize];
        int part = 1, read;
        while ((read = in.read(buffer)) != -1) {
            Files.write(file.resolveSibling(file.getFileName() + "." + part++), Arrays.copyOf(buffer, read));
        }
    }
}

五、執行外部命令

public static void execCommand(String... cmd) throws IOException {
    ProcessBuilder pb = new ProcessBuilder(cmd);
    pb.redirectErrorStream(true);
    Process process = pb.start();
    try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(process.getInputStream()))) {
        reader.lines().forEach(System.out::println);
    }
    try { process.waitFor(); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); }
}

六、編碼陷阱與性能優化清單

總結

現代 Java 開發首選 java.nio.file.Files 及 Path API，配合 Stream 流式處理，代碼簡潔且性能優異。傳統 java.io 流仍需掌握，因為大量遗留代碼、第三方庫及序列化機制依賴其體系。理解裝飾器模式在流中的應用，是靈活組合功能（緩衝、編碼、壓縮、加密）的關鍵。