Java IO 流核心技術：文件編碼、File 類、RandomAccessFile 與字節/字符流全解析

Java IO 流核心技術：文件編碼、File 類、RandomAccessFile 與字節/字符流全解析

一、文件編碼基礎與實戰

字符在不同編碼下佔用字節數不同：

• UTF-8：中文 3 字節，英文 1 字節，變長編碼，兼容 ASCII
• GBK：中文 2 字節，英文 1 字節，中文環境常用
• UTF-16BE：中英文均 2 字節，定長編碼，Java 內部 char 採用此編碼

核心代碼演示

String s = "好好學習ABC";
byte[] utf8 = s.getBytes("UTF-8");   // 中文3字節，英文1字節
byte[] gbk = s.getBytes("GBK");      // 中文2字節，英文1字節
byte[] utf16be = s.getBytes("UTF-16BE"); // 均2字節

// 正確解碼：必須使用與編碼一致的字符集
String correct = new String(utf16be, "UTF-16BE");
String garbled = new String(utf16be); // 默認編碼解碼 → 亂碼

關鍵技術點

• b & 0xFF：將 signed byte 轉為 unsigned int 顯示十六進制，避免符號位擴展
• 文本文件本質是字節序列，讀寫必須指定編碼，否則產生亂碼
• Windows 記事本默認 ANSI（GBK），現代 IDE 項目建議統一 UTF-8

二、File 類：文件與目錄元數據操作

java.io.File 只代表路徑元數據（名稱、大小、權限、時間），不處理文件內容。

常用 API

遞歸遍歷目錄實戰

public static void listDirectory(File dir) throws IOException {
    if (!dir.exists() || !dir.isDirectory()) {
        throw new IllegalArgumentException("無效目錄: " + dir);
    }
    File[] files = dir.listFiles();
    if (files != null) {
        for (File f : files) {
            if (f.isDirectory()) {
                listDirectory(f); // 遞歸
            } else {
                System.out.println(f.getAbsolutePath());
            }
        }
    }
}

三、RandomAccessFile：隨機讀寫文件

支援「讀+寫」模式（"rw"），內部維護文件指針，可隨機定位任意位置，適合斷點續傳、大文件隨機訪問場景。

核心方法

• getFilePointer() / seek(pos)：獲取/設置指針位置
• read() / write(int)：單字節讀寫
• read(byte[]) / write(byte[])：批量讀寫
• readInt() / writeInt(int)：直接讀寫 int（4 字節，大端序）
• length()：文件長度

實戰：寫入字符串與 int，再完整讀回

RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");
raf.write('A'); raf.write('B');
raf.writeInt(0x7FFFFFFF); // 直接寫入 4 字節
raf.write("中".getBytes("GBK")); // GBK 編碼 2 字節

raf.seek(0); // 重置指針
byte[] buf = new byte[(int) raf.length()];
raf.read(buf); // 一次性讀滿
raf.close();

四、字節流體系：InputStream / OutputStream

核心流類別層次

• 節點流：FileInputStream、FileOutputStream 直接操作文件
• 處理流/包裝流：
  • DataInputStream/DataOutputStream：按基本類型讀寫
  • BufferedInputStream/BufferedOutputStream：緩衝區提升性能（8KB 默認）

三種拷貝方式性能對比

// 1. 單字節無緩衝 - 最慢
while ((c = in.read()) != -1) out.write(c);

// 2. 字節數組批量讀寫 - 推薦
byte[] buf = new byte[8 * 1024];
int len;
while ((len = in.read(buf)) != -1) out.write(buf, 0, len);

// 3. 緩衝流單字節 - 有緩衝但單字節調用，次之
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(in);
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(out);
while ((c = bis.read()) != -1) bos.write(c);

實測 10MB 文件：方式 1 約 20s，方式 2 約 7ms，方式 3 約 10ms。結論：批量讀寫 + 緩衝流是最佳實踐。

五、字符流體系：Reader / Writer

字符流 = 字節流 + 編碼轉換器，處理文本文件首選。

轉換流：橋接字節與字符

InputStreamReader isr = new InputStreamReader(new FileInputStream("utf8.txt"), "UTF-8");
OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("out.txt"), "UTF-8");

char[] buf = new char[8192];
int len;
while ((len = isr.read(buf)) != -1) {
    osw.write(buf, 0, len);
}

便捷文件字符流

• FileReader / FileWriter：默認使用平台默認編碼，**生產環境不推薦**（跨平台亂碼風險）
• BufferedReader / BufferedWriter：按行讀寫，readLine()、newLine()
• PrintWriter：格式化輸出，println()、printf()

六、對象序列化與反序列化

• 實現 Serializable 標記介面（無方法）
• ObjectOutputStream.writeObject(obj) 持久化
• ObjectInputStream.readObject() 恢復
• transient 關鍵字排除敏感/非必需字段
• serialVersionUID 顯式聲明版本號，避免反序列化失敗

注意事項

1. 父類未實現 Serializable，反序列化時父類構造器會重新執行
2. 靜態字段、transient 字段不參與序列化
3. 序列化破壞單例模式，需實現 readResolve() 返回實例
4. 跨 JVM 版本兼容性需謹慎測試

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