Java IO 与文件系统：File 类与流操作详解

在 Java 编程中，IO（输入输出）操作是处理文件和数据流的核心部分。本文将围绕文件系统、硬盘存储、Java 的 File 类以及 InputStream 和 OutputStream 的使用进行详细总结，帮助读者全面掌握 Java IO 编程的核心知识。

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一、IO、存储与文件系统基础

1. 存储设备与硬盘

• 硬盘：计算机的主要存储设备，分为机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。

• 存储单位：字节（Byte）、千字节（KB）、兆字节（MB）、g字节（GB）等。

• 读写速度：SSD 的读写速度远高于 HDD，但价格更贵。

2. 文件系统

• 文件系统：操作系统用于管理文件和目录的机制，常见的有 NTFS（Windows）、EXT4（Linux）、APFS（macOS）。

• 文件与目录：文件是数据的集合，目录是文件的容器。

• 路径：文件或目录在文件系统中的位置，分为绝对路径和相对路径。

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二、Java 中的 File 类

File 类是 Java 中用于表示文件和目录路径名的抽象表示。它可以用于创建、删除、重命名文件和目录，以及查询文件属性。

1. 创建 File 对象

java

复制

File file = new File("example.txt"); // 相对路径
File dir = new File("/path/to/directory"); // 绝对路径

2. 常用方法

方法	作用
exists()	判断文件或目录是否存在。
isFile()	判断是否为文件。
isDirectory()	判断是否为目录。
createNewFile()	创建新文件。
mkdir()	创建单级目录。
mkdirs()	创建多级目录。
delete()	删除文件或空目录。
listFiles()	返回目录下的文件和子目录。
getPath()	获取文件或目录的路径。
getAbsolutePath()	获取文件或目录的绝对路径。
getName()	获取文件或目录的名称。
length()	获取文件大小（字节数）。

示例：遍历目录

java

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File dir = new File("/path/to/directory");
if (dir.isDirectory()) {
    for (File file : dir.listFiles()) {
        System.out.println(file.getName());
    }
}

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三、Java 中的流操作

Java 的 IO 流分为字节流和字符流，本文重点介绍字节流（InputStream 和 OutputStream）。

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1. InputStream（字节输入流）

InputStream 是所有字节输入流的基类，用于从数据源（如文件、网络）读取字节数据。

常用方法

方法	作用
read()	读取一个字节，返回 -1 表示结束。
read(byte[] b)	读取字节到数组，返回实际读取的字节数。
close()	关闭流，释放资源。

示例：读取文件内容

java

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try (InputStream in = new FileInputStream("example.txt")) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = in.read(buffer)) != -1) {
        System.out.write(buffer, 0, bytesRead);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

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2. OutputStream（字节输出流）

OutputStream 是所有字节输出流的基类，用于将字节数据写入目标（如文件、网络）。

常用方法

方法	作用
write(int b)	写入一个字节。
write(byte[] b)	写入字节数组。
flush()	刷新缓冲区，强制写入数据。
close()	关闭流，释放资源。

示例：写入文件内容

java

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try (OutputStream out = new FileOutputStream("example.txt")) {
    String data = "Hello, World!";
    out.write(data.getBytes());
    out.flush();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

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3. 缓冲流（BufferedInputStream/BufferedOutputStream）

为了提高 IO 性能，Java 提供了缓冲流，通过在内存中缓存数据，减少对底层设备的直接操作。

示例：使用缓冲流

java

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try (InputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("example.txt"));
     OutputStream out = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("output.txt"))) {
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = in.read(buffer)) != -1) {
        out.write(buffer, 0, bytesRead);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

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四、常见问题与面试题

1. File 类能直接操作文件内容吗？

• 答案 ：不能。File 类只能操作文件元数据（如路径、大小、权限等），文件内容需要通过流操作。

2. 字节流与字符流的区别？

• 字节流：以字节为单位操作数据，适用于二进制文件（如图片、视频）。

• 字符流 ：以字符为单位操作数据，适用于文本文件（如 .txt、.csv）。

3. 如何高效地复制大文件？

• 答案 ：使用缓冲流（如 BufferedInputStream 和 BufferedOutputStream），减少 IO 操作次数。

4. try-with-resources 的作用是什么？

• 答案 ：自动关闭资源（如流），避免资源泄漏。适用于实现了 AutoCloseable 接口的类。

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五、总结

Java 的 IO 操作是处理文件和数据的核心工具，主要包括以下内容：

1. File 类：用于操作文件和目录的元数据。

2. 字节流 ：InputStream 和 OutputStream 用于读写字节数据。

3. 缓冲流：通过缓存提高 IO 性能。

4. 文件系统：理解文件系统的基本概念有助于更好地管理文件和目录。

在实际开发中，建议使用 try-with-resources 语句管理资源，并结合缓冲流提高 IO 效率。通过掌握这些知识，可以轻松应对文件操作和数据流处理的编程需求。