Java IO/NIO 入門完整指南：流模型、裝飾者模式、NIO 通道與緩衝區

什麼是 IO？

IO (Input/Output) 是程式與外部 (檔案、網路、主控台、裝置) 交換資料的介面。Java 核心庫提供兩套體系：

• java.io：流 (Stream) 基礎，串列化讀寫，API 簡單、易用、效率中等
• java.nio (New IO)：塊 (Block) / 通道 基礎，緩衝區、非阻塞、記憶體映射、高效能

Java IO 流模型與裝飾者模式

核心繼承體系

InputStream (抽象)          OutputStream (抽象)
    ↑                             ↑
FileInputStream            FileOutputStream     -- 資料源節點
ByteArrayInputStream       ByteArrayOutputStream
PipedInputStream           PipedOutputStream

FilterInputStream          FilterOutputStream   -- 裝飾者基類
    ↑                             ↑
BufferedInputStream        BufferedOutputStream -- 緩衝裝飾
DataInputStream            DataOutputStream     -- 基本型別讀寫裝飾
ObjectInputStream          ObjectOutputStream   -- 物件序列化裝飾
GZIPInputStream            GZIPOutputStream     -- 壓縮裝飾
CipherInputStream          CipherOutputStream   -- 加密裝飾

裝飾者模式組裝範例

// 需求：帶緩衝的檔案輸入流
InputStream in = new BufferedInputStream(
                    new FileInputStream("C:\\log.txt"));

// 進一步：帶緩衝、可讀基本型別、可讀物件
DataInputStream din = new DataInputStream(
    new BufferedInputStream(
        new FileInputStream("data.bin")));

int i = din.readInt();
String s = din.readUTF();
MyObject obj = (MyObject) new ObjectInputStream(din).readObject();

精髓： 先建立資料源節點流，再層層包裝裝飾流，獲得組合功能。

Reader/Writer 字元流體系

• 針對文字，自動處理字元編碼轉換 (位元組 ↔ 字元)
• 對應關係：InputStreamReader / OutputStreamWriter (橋接位元組流與字元流)
• 常用：BufferedReader (readLine)、PrintWriter (printf/println)、FileReader/Writer

Java NIO 核心三大支柱

1. Channel (通道) — 雙向、非阻塞

2. Buffer (緩衝區) — 容器、狀態機

// 核心屬性
capacity  // 容量 (不可變)
limit     // 邊界 (寫模式=capacity，讀模式=寫入資料量)
position  // 當前游標
mark      // 標記位置 (reset() 回歸)

// 關鍵操作
put()   // 寫入，position++
get()   // 讀取，position++
flip()  // 寫→讀：limit=position, position=0
rewind()// 重讀：position=0
clear() // 重寫：position=0, limit=capacity
compact()// 未讀資料前移，準備繼續寫入

3. Selector (選擇器) — 多路複用核心

Selector selector = Selector.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

while (true) {
    selector.select(); // 阻塞直到有就緒事件
    Set keys = selector.selectedKeys();
    for (SelectionKey key : keys) {
        if (key.isAcceptable()) { /* accept 新連線 */ }
        if (key.isReadable()) { /* 讀取資料 */ }
        if (key.isWritable()) { /* 寫入資料 */ }
    }
    keys.clear();
}

單一執行緒管理成千上萬連線，解決傳統「一連線一執行緒」擴展性瓶頸。

NIO 進階特性

• 記憶體映射檔案：FileChannel.map(MapMode.READ_WRITE, 0, size) → MappedByteBuffer，OS 級頁面映射，大檔案極快
• 檔案鎖：channel.lock()/tryLock()，跨進程同步
• 零拷貝：channel.transferTo()/transferFrom()，核心態直接傳輸，避免用戶態拷貝
• 直接緩衝區：ByteBuffer.allocateDirect()，堆外記憶體，減少 GC 壓力，適合網路 IO

IO vs NIO 選型指南

現代發展：NIO.2 (Java 7+) 與 Reactive Streams

• java.nio.file：Path, Files, FileVisitor, WatchService (檔案系統事件)
• AsynchronousFileChannel / AsynchronousSocketChannel：真正非同步 (CompletionHandler / Future)
• Reactive Streams (Project Reactor, RxJava) / java.util.concurrent.Flow：背壓、組合式非同步
• Virtual Threads (Java 21+)：阻塞式 API 也能達到高併發，重新評估 NIO 必要性

總結

Java IO 以裝飾者模式實現靈活功能組合；NIO 以Channel + Buffer + Selector實現高擴展性非阻塞 IO。理解兩者本質差異，依場景選型。現代開發多由框架 (Netty, Spring WebFlux, gRPC) 封裝 NIO 複雜度，但掌握核心原理對調優、排錯、架構決策不可或缺。

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