I/O流与I/O框架

I/O流与I/O框架全面总结

一、Java I/O流基础

1. I/O流分类

按数据流向

• 输入流：从数据源读取数据（InputStream/Reader）
• 输出流：向目标写入数据（OutputStream/Writer）

按数据类型

• 字节流：以字节为单位（8位），处理二进制数据
  • InputStream/OutputStream
• 字符流：以字符为单位（16位），处理文本数据
  • Reader/Writer

按功能

• 节点流：直接操作数据源/目标的流
• 处理流：对现有流进行包装，提供增强功能

2. 核心类体系

字节流体系

text

InputStream (抽象类)
├─ FileInputStream (文件输入)
├─ ByteArrayInputStream (内存数组输入)
├─ FilterInputStream (装饰器父类)
│  ├─ BufferedInputStream (缓冲流)
│  ├─ DataInputStream (基本数据类型读取)
└─ ObjectInputStream (对象反序列化)

OutputStream (抽象类)
├─ FileOutputStream (文件输出)
├─ ByteArrayOutputStream (内存数组输出)
├─ FilterOutputStream (装饰器父类)
│  ├─ BufferedOutputStream (缓冲流)
│  ├─ DataOutputStream (基本数据类型写入)
└─ ObjectOutputStream (对象序列化)

字符流体系

text

Reader (抽象类)
├─ InputStreamReader (字节到字符桥接)
│  └─ FileReader (文件字符输入)
├─ BufferedReader (缓冲字符输入)
├─ CharArrayReader (字符数组输入)
└─ StringReader (字符串输入)

Writer (抽象类)
├─ OutputStreamWriter (字符到字节桥接)
│  └─ FileWriter (文件字符输出)
├─ BufferedWriter (缓冲字符输出)
├─ CharArrayWriter (字符数组输出)
└─ StringWriter (字符串输出)

二、常用I/O流详解

1. 文件操作流

java

// 字节流文件复制
try (FileInputStream fis = new FileInputStream("source.txt");
     FileOutputStream fos = new FileOutputStream("target.txt")) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int len;
    while ((len = fis.read(buffer)) != -1) {
        fos.write(buffer, 0, len);
    }
}

// 字符流文件读取
try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("file.txt"))) {
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) {
        System.out.println(line);
    }
}

2. 缓冲流（提升性能）

java

// 使用缓冲流提升复制效率
try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("source.jpg"));
     BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("target.jpg"))) {
    byte[] buffer = new byte[8192];  // 8KB缓冲区
    int len;
    while ((len = bis.read(buffer)) != -1) {
        bos.write(buffer, 0, len);
    }
}

3. 对象序列化流

java

// 对象序列化
class Person implements Serializable {
    private String name;
    private transient int age;  // transient修饰的字段不会被序列化
    
    // 构造方法、getter/setter...
}

// 序列化对象到文件
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("person.dat"))) {
    oos.writeObject(new Person("张三", 25));
}

// 反序列化
try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("person.dat"))) {
    Person p = (Person) ois.readObject();
    System.out.println(p.getName());
}

三、NIO（New I/O）

1. NIO核心组件

• Channel：双向数据传输通道
  • FileChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel
• Buffer：数据容器
  • ByteBuffer
  • CharBuffer
  • IntBuffer
• Selector：多路复用器

2. NIO示例

java

// 使用FileChannel复制文件
try (FileChannel src = FileChannel.open(Paths.get("source.txt"), StandardOpenOption.READ);
     FileChannel dest = FileChannel.open(Paths.get("target.txt"), 
          StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE)) {
    src.transferTo(0, src.size(), dest);
}

// 使用Buffer读写
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
try (FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("data.txt"), StandardOpenOption.READ)) {
    while (channel.read(buffer) > 0) {
        buffer.flip();  // 切换为读模式
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get());
        }
        buffer.clear();  // 清空缓冲区，准备再次写入
    }
}

四、常用I/O框架

1. Apache Commons IO

核心功能：

• FileUtils：文件操作工具类
• IOUtils：流操作工具类
• FilenameUtils：文件名处理工具

示例代码：

java

// 复制文件
File srcFile = new File("source.txt");
File destFile = new File("target.txt");
FileUtils.copyFile(srcFile, destFile);

// 读取文件内容为字符串
String content = FileUtils.readFileToString(new File("data.txt"), "UTF-8");

// 逐行读取
List<String> lines = FileUtils.readLines(new File("log.txt"), "UTF-8");

2. Google Guava

核心功能：

• Files：文件操作工具
• CharStreams/ByteStreams：流工具
• Resources：资源读取工具

示例代码：

java

// 读取文件所有行
List<String> lines = Files.readLines(new File("data.txt"), Charsets.UTF_8);

// 复制文件
File src = new File("source.jpg");
File dest = new File("target.jpg");
Files.copy(src, dest);

// 读取资源文件
URL url = Resources.getResource("config.properties");
String text = Resources.toString(url, Charsets.UTF_8);

3. Java 7+ Files工具类

java

// 读取所有行
List<String> lines = Files.readAllLines(Paths.get("data.txt"));

// 写入文件
Files.write(Paths.get("output.txt"), "Hello World".getBytes());

// 复制文件
Files.copy(Paths.get("source.txt"), Paths.get("target.txt"));

// 遍历目录
Files.walk(Paths.get("/path/to/dir"))
     .filter(Files::isRegularFile)
     .forEach(System.out::println);

五、性能优化建议

1. 使用缓冲流：减少物理I/O操作次数
2. 合理设置缓冲区大小：通常8KB-32KB为宜
3. 及时关闭资源：使用try-with-resources
4. NIO处理大文件：对于大文件操作，NIO性能更优
5. 选择合适流类型：文本数据用字符流，二进制数据用字节流
6. 批量操作：尽量批量读写而非单字节/字符操作

六、常见应用场景

1. 文件操作：读写、复制、移动、删除
2. 网络通信：Socket数据传输
3. 数据持久化：对象序列化/反序列化
4. 日志处理：日志文件读写
5. 配置文件：properties/xml/json等配置读取
6. 资源加载：类路径资源读取

掌握这些I/O流和框架的知识点，可以显著提升程序性能和开发效率