Java I/O完全指南：从原理到实践，让数据流动起来！

引言：I/O是什么？为什么重要？

想象一下，你正在给朋友传一张照片，或者把一篇笔记保存到电脑——这背后的核心就是输入输出（I/O）。
在Java中，I/O是程序与外界（文件、网络、设备等）传递数据的桥梁。无论是读取配置文件、保存用户数据，还是构建高并发的网络服务器，都离不开I/O操作。
本文将从零开始，用通俗易懂的语言，结合代码示例，带你彻底掌握Java I/O的核心知识！

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一、核心概念：流（Stream）——数据的“水管”

1. 流的本质

• 流（Stream）：数据的抽象表示，像一根水管，数据在其中单向流动。

  • 输入流：数据从外部（如文件）流入程序。

  • 输出流：数据从程序流出到外部（如文件）。

2. 两种数据类型

类型	处理的数据	基类	适用场景
字节流	二进制数据（图片、视频）	InputStream/OutputStream	文件复制、网络数据传输
字符流	文本数据（TXT、JSON）	Reader/Writer	配置文件读取、日志写入

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二、传统I/O：字节流与字符流

1. 字节流：处理一切二进制文件

• 核心类：FileInputStream（读文件）、FileOutputStream（写文件）。

• 代码示例：复制一张图片

  try (
      InputStream in = new FileInputStream("input.jpg");
      OutputStream out = new FileOutputStream("output.jpg")
  ) {
      byte[] buffer = new byte[1024];  // 一次读取1KB
      int len;
      while ((len = in.read(buffer)) != -1) {  // 读到末尾返回-1
          out.write(buffer, 0, len);   // 写入实际读取的字节数
      }
  } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
  }

2. 字符流：专为文本设计

• 核心类：FileReader（读文本）、FileWriter（写文本）。

• 代码示例：按行读取文件

  try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader("text.txt"))) {
      String line;
      while ((line = reader.readLine()) != null) {  // 一次读一行
          System.out.println(line);
      }
  } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
  }

3. 缓冲流：提升性能的“神器”

• 原理：通过内存缓冲区减少物理读写次数。

• 核心类：BufferedInputStream、BufferedReader、BufferedOutputStream、BufferedWriter。

• 代码示例：高效复制文件

  // 使用缓冲流，性能提升10倍以上！
  try (
      InputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("source.txt"));
      OutputStream out = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("target.txt"))
  ) {
      byte[] buffer = new byte[4096];  // 更大的缓冲区
      int len;
      while ((len = in.read(buffer)) != -1) {
          out.write(buffer, 0, len);
      }
  }

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三、高级I/O：对象、数据与内存操作

1. 对象序列化：保存Java对象

• 用途：将对象转换为字节流，用于存储或网络传输。

• 要求：对象必须实现Serializable接口。

• 代码示例

  // 序列化
  try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("user.dat"))) {
      oos.writeObject(new User("Alice", 30));  // User类需实现Serializable
  }
  
  // 反序列化
  try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("user.dat"))) {
      User user = (User) ois.readObject();
  }

2. 数据流：直接读写基本类型

• 核心类：DataInputStream、DataOutputStream。

• 代码示例

  // 写入int和double
  try (DataOutputStream dos = new DataOutputStream(new FileOutputStream("data.bin"))) {
      dos.writeInt(100);
      dos.writeDouble(3.14);
  }
  
  // 读取时需按写入顺序读取！
  try (DataInputStream dis = new DataInputStream(new FileInputStream("data.bin"))) {
      int num = dis.readInt();
      double value = dis.readDouble();
  }

3. 内存操作流

• 场景：在内存中直接操作数据，无需物理文件。

• 核心类：ByteArrayInputStream、StringWriter。

• 代码示例

  // 将字符串写入内存
  StringWriter writer = new StringWriter();
  writer.write("Hello, World!");
  String result = writer.toString();  // 获取内存中的数据

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四、Java NIO：高性能I/O的终极方案

1. NIO的核心组件

组件	作用	示例类
Channel	双向数据传输通道	FileChannel、SocketChannel
Buffer	数据容器（类似数组）	ByteBuffer、CharBuffer
Selector	多路复用，管理多个Channel	Selector

2. NIO的优势

• 非阻塞模式：线程在等待数据时可处理其他任务。

• 零拷贝技术：通过内存映射文件（FileChannel.map()）提升大文件操作性能。

• 适合场景：高并发服务器（如聊天室、游戏服务器）。

3. 代码示例：用NIO复制文件

try (
    FileChannel source = FileChannel.open(Paths.get("source.txt"));
    FileChannel target = FileChannel.open(Paths.get("target.txt"), 
        StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.WRITE)
) {
    source.transferTo(0, source.size(), target);  // 一行代码搞定！
}

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五、传统I/O vs NIO：如何选择？

特性	传统I/O	NIO
阻塞模式	阻塞（线程等待）	非阻塞（线程可做其他事）
数据单位	流（Stream）	块（Buffer）
适用场景	简单文件操作、低并发	高并发网络服务器
API复杂度	简单易用	较复杂

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六、避坑指南：I/O常见问题

1. 资源未关闭导致内存泄漏

   • 解决：使用try-with-resources自动关闭资源（Java 7+）。

     try (InputStream in = new FileInputStream("file.txt")) {
         // 使用流
     }  // 自动调用in.close()

2. 字符编码乱码

   • 解决：显式指定编码（如UTF-8）。

     BufferedReader reader = new BufferedReader(
         new InputStreamReader(new FileInputStream("file.txt"), StandardCharsets.UTF_8)
     );

3. 大文件操作性能差

   • 解决：使用缓冲流，并适当增加缓冲区大小。

     BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("bigfile.bin"), 8192);

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七、总结：一张表搞定Java I/O

场景	推荐方案	代码示例
复制小文件	传统I/O + 缓冲流	BufferedInputStream + BufferedOutputStream
读取文本文件	字符流 + 缓冲	BufferedReader.readLine()
保存Java对象	对象序列化	ObjectOutputStream
高并发服务器	NIO + Selector	ServerSocketChannel + Selector
快速文件操作	NIO2的Files类	Files.copy(source, target)

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八、常见问题解答

Q：为什么我的文件复制代码很慢？
A：检查是否用了缓冲流！直接使用FileInputStream每次只读一个字节，效率极低。

Q：NIO比传统I/O快多少？
A：在小文件场景下差异不大，但在高并发或大文件操作时，NIO可能有数倍性能提升。

Q：对象序列化时遇到NotSerializableException？
A：确保被序列化的类实现了Serializable接口，且所有成员变量均可序列化。

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动手实践是最好的学习方式！ 希望本文能帮你打通Java I/O的任督二脉。如果有疑问，欢迎在评论区留言讨论！