Java IO与NIO的主要API层次结构及常用细节

在Java开发中，输入输出（IO）操作是不可或缺的一部分。Java提供了传统IO（java.io包）和NIO（java.nio包）两种方式来处理文件、网络等数据流。面试中被问到"谈谈Java IO与NIO的主要API层次结构"时，我会从两者的核心类和接口入手，梳理它们的层次结构，并结合实际开发中常用的细节进行详细讲解。

一、Java IO的API层次结构

Java传统IO的核心位于java.io包中，主要围绕**流（Stream）**的概念设计，分为字节流和字符流两大体系。以下是其主要API的层次结构：

1. 字节流（Byte Stream）

字节流以8位字节为单位处理数据，适用于二进制文件（如图片、视频）或网络传输。

抽象基类：
- InputStream：所有字节输入流的超类，提供read()等核心方法。
- OutputStream：所有字节输出流的超类，提供write()等核心方法。
常用实现类：
- FileInputStream：从文件中读取字节数据。
- FileOutputStream：向文件中写入字节数据。
- BufferedInputStream：通过缓冲区减少对底层文件系统的直接访问，提高读取效率。
- BufferedOutputStream：类似地，通过缓冲区优化写入性能。
- ByteArrayInputStream：从字节数组读取数据。
- ByteArrayOutputStream：将数据写入字节数组，常用于内存操作。

层次结构示例：

scss 复制代码

InputStream (抽象类)
├── FileInputStream
├── BufferedInputStream
└── ByteArrayInputStream
OutputStream (抽象类)
├── FileOutputStream
├── BufferedOutputStream
└── ByteArrayOutputStream

2. 字符流（Character Stream）

字符流以16位Unicode字符为单位，适用于文本数据处理（如读取配置文件、日志文件）。

抽象基类：
- Reader：所有字符输入流的超类，提供read()方法。
- Writer：所有字符输出流的超类，提供write()方法。
常用实现类：
- FileReader：从文件中读取字符数据。
- FileWriter：向文件中写入字符数据。
- BufferedReader：通过缓冲区读取字符，支持readLine()读取整行文本。
- BufferedWriter：通过缓冲区写入字符，支持换行符操作。
- InputStreamReader：字节流到字符流的桥梁，指定字符编码。
- OutputStreamWriter：字符流到字节流的桥梁。

层次结构示例：

scss 复制代码

Reader (抽象类)
├── FileReader
├── BufferedReader
└── InputStreamReader
Writer (抽象类)
├── FileWriter
├── BufferedWriter
└── OutputStreamWriter

3. IO的装饰器模式

Java IO大量使用装饰器模式，通过包装类增强功能。例如：

BufferedInputStream装饰FileInputStream，提供缓冲功能。
DataInputStream装饰InputStream，支持读取基本数据类型（如readInt()、readDouble()）。

4. 常用细节

关闭流 ：传统IO是阻塞式的，必须显式调用close()释放资源，通常使用try-with-resources确保自动关闭。
缓冲区 ：BufferedXXX类通过减少对底层系统的直接调用显著提升性能。例如，读取大文件时，BufferedReader的readLine()比直接用FileReader效率更高。
编码问题 ：InputStreamReader和OutputStreamWriter允许指定字符编码（如UTF-8），避免乱码。

示例代码：

java 复制代码

try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader("example.txt"))) {
    String line;
    while ((line = reader.readLine()) != null) {
        System.out.println(line);
    }
}

二、Java NIO的API层次结构

NIO（New IO）引入了非阻塞IO、缓冲区（Buffer）和通道（Channel）的概念，位于java.nio包中，适用于高并发场景（如网络服务器）。其核心API层次结构如下：

1. 核心组件

Buffer：数据容器，所有IO操作都基于缓冲区。
- 抽象基类：Buffer
- 常用实现类：
  - ByteBuffer：处理字节数据，支持堆内和直接内存分配。
  - CharBuffer、IntBuffer等：针对特定数据类型。
- 关键方法：put()、get()、flip()（切换读写模式）、clear()。
Channel：数据传输通道，替代传统IO的流。
- 接口：Channel
- 常用实现类：
  - FileChannel：文件操作通道。
  - SocketChannel：TCP客户端通道。
  - ServerSocketChannel：TCP服务器通道。
  - DatagramChannel：UDP通道。
- 特点：支持非阻塞操作，可与Selector配合。
Selector：多路复用器，用于管理多个通道的事件（如连接、读取）。
- 类：Selector
- 相关类：SelectionKey（表示通道与选择器的注册关系）。

2. 层次结构示例

scss 复制代码

Buffer (抽象类)
├── ByteBuffer
├── CharBuffer
└── IntBuffer
Channel (接口)
├── FileChannel
├── SocketChannel
├── ServerSocketChannel
└── DatagramChannel
Selector (类)

3. NIO的非阻塞与异步

非阻塞模式 ：通过configureBlocking(false)设置通道为非阻塞，结合Selector实现事件驱动。
缓冲区操作 ：ByteBuffer的flip()方法将缓冲区从写模式切换到读模式，是NIO的核心操作之一。

4. 常用细节

文件复制 ：FileChannel的transferTo()和transferFrom()方法高效传输数据。
内存映射 ：MappedByteBuffer通过FileChannel.map()将文件映射到内存，适合大文件处理。
网络编程 ：SocketChannel和Selector结合，实现高并发服务器。

示例代码（文件复制）：

java 复制代码

try (FileChannel src = new FileInputStream("source.txt").getChannel();
     FileChannel dest = new FileOutputStream("dest.txt").getChannel()) {
    src.transferTo(0, src.size(), dest);
}

三、IO与NIO的对比与选择

IO：阻塞式，适合简单、小规模数据处理，API直观。
NIO：非阻塞式，适合高并发、大数据场景，学习曲线较陡。
实际应用 ：小文件读取用BufferedReader，网络服务器用SocketChannel和Selector。

四、总结

Java IO和NIO各有千秋。IO的API层次结构以流为核心，简单易用；NIO以缓冲区和通道为核心，性能更优。在实际开发中，我常结合具体需求选择合适的工具，比如用BufferedReader处理日志文件，用FileChannel复制大文件，用SocketChannel搭建高并发服务。理解它们的层次结构和细节，能让我们在面试和开发中游刃有余。