Java IO 體系全景：字節流與字符流核心類源碼解析與選型指南

Java IO 體系全景圖

Java IO 分為 字節流（InputStream/OutputStream）與 字符流（Reader/Writer）兩大體系，前者處理二進制數據，後者處理文本（自動編解碼）。本文梳理核心類繼承關係、關鍵源碼邏輯、裝飾器模式應用及選型決策表。

1. 類繼承架構速覽

InputStream (abstract)
├── ByteArrayInputStream      // 內存字節數組
├── FileInputStream           // 文件讀取
├── PipedInputStream          // 管道輸入
├── ObjectInputStream         // 對象反序列化
└── FilterInputStream (裝飾器基類)
    ├── BufferedInputStream   // 緩衝 + mark/reset
    ├── DataInputStream       // 基本類型讀取
    └── PrintStream           // 格式化輸出

OutputStream (abstract)
├── ByteArrayOutputStream     // 內存字節數組（自動擴容）
├── FileOutputStream          // 文件寫入
├── PipedOutputStream         // 管道輸出
├── ObjectOutputStream        // 對象序列化
└── FilterOutputStream
    ├── BufferedOutputStream  // 緩衝寫入
    ├── DataOutputStream      // 基本類型寫入
    └── PrintStream

Reader / Writer 結構對稱，底層委託 InputStream/OutputStream + 編碼轉換

2. 核心類源碼關鍵點

ByteArrayOutputStream — 自動擴容數組

• 默認容量 32，grow() 以 2 倍擴容（newCapacity = oldCapacity << 1）
• write(byte[] b, int off, int len) 內部調用 System.arraycopy
• 線程安全：方法加 synchronized

BufferedInputStream — 緩衝與 mark/reset

• 內部 byte[] buf，默認 8KB
• fill() 根據 markpos、marklimit 決定：
  — 未標記/空間足：直接重新填滿
  — 已標記且空間足：保留標記後數據，追加新數據
  — 已標記且空間不足 && buf.length >= marklimit：取消標記
  — 已標記且空間不足 && buf.length < marklimit：擴容保留標記
• marklimit 防止無限擴容導致 OOM

PipedInputStream / PipedOutputStream — 線程間通信

• 必須成對 connect() 或構造時綁定
• 內部共享環形緩衝區（默認 1KB），生產者寫、消費者讀
• 典型場景：生產者線程寫入，消費者線程讀取

ObjectInputStream / ObjectOutputStream — 序列化

• 要求對象實現 Serializable
• 支持基本類型、String、數組、集合、自定義對象
• 注意 serialVersionUID 版本控制

3. 字節流 vs 字符流 選型決策表

4. 最佳實踐建議

• 優先用字符流處理文本，避免編碼亂碼；二進制堅持字節流。
• 必須加緩衝：new BufferedReader(new FileReader(file))，減少系統調用。
• try-with-resources 自動關閉（Java 7+），防止資源洩漏。
• 指定 Charset：new InputStreamReader(is, StandardCharsets.UTF_8)。
• 大文件拷貝：NIO Files.copy() 或 FileChannel.transferTo() 零拷貝更高效。

理解 IO 體系的「裝飾器鏈」設計，靈活組合節點流與處理流，是寫出高健壯、高性能 IO 代碼的關鍵。