编程语言Java——核心技术篇（五）IO流：数据洪流中的航道设计

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🔍 每一次调试都是星际对话，用耐心和智慧解开宇宙的谜题。

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续前篇：编程语言Java------核心技术篇（四）集合类详解-CSDN博客

[5. IO流](#5. IO流)

[5.1 IO流基本概述](#5.1 IO流基本概述)

[5.1.1 IO流概述](#5.1.1 IO流概述)

[5.1.2 IO流体系](#5.1.2 IO流体系)

[5.2 常用I/O流详解](#5.2 常用I/O流详解)

[5.2.1 基础文件流](#5.2.1 基础文件流)

[5.2.2 缓冲流](#5.2.2 缓冲流)

[5.2.3 字符流](#5.2.3 字符流)

[5.2.4 高级功能流](#5.2.4 高级功能流)

[5.3 常用I/O流示例](#5.3 常用I/O流示例)

[5.3.1 文本文件读取示例](#5.3.1 文本文件读取示例)

[5.3.2 缓冲字符流完整示例（文本处理）](#5.3.2 缓冲字符流完整示例（文本处理）)

[5.3.3 对象序列化与反序列化](#5.3.3 对象序列化与反序列化)

[5.4 常用I/O流对比](#5.4 常用I/O流对比)

[5.4.1 文件读写流对比](#5.4.1 文件读写流对比)

[5.4.1.1 FileInputStream vs FileReader](#5.4.1.1 FileInputStream vs FileReader)

[5.4.1.2 FileOutputStream vs FileWriter](#5.4.1.2 FileOutputStream vs FileWriter)

[5.4.2 缓冲流对比](#5.4.2 缓冲流对比)

[5.4.2.1 BufferedInputStream vs BufferedReader](#5.4.2.1 BufferedInputStream vs BufferedReader)

[5.4.2.2 缓冲流性能测试](#5.4.2.2 缓冲流性能测试)

[5.4.3 高级功能流对比](#5.4.3 高级功能流对比)

[5.4.3.1 DataInputStream vs ObjectInputStream](#5.4.3.1 DataInputStream vs ObjectInputStream)

[5.4.3.2 PrintStream vs PrintWriter](#5.4.3.2 PrintStream vs PrintWriter)

[5.5 流的选择决策树](#5.5 流的选择决策树)

5. IO流

5.1 IO流基本概述

5.1.1 IO流概述

I/O流（Input/Output Stream）是Java中用于处理输入输出的抽象概念，它代表数据的流动：

流的方向：
- 输入流（InputStream/Reader）：从数据源读取数据到程序
- 输出流（OutputStream/Writer）：从程序写出数据到目的地
数据类型：
- 字节流（Byte Stream）：以字节(8bit)为单位，处理二进制数据
  - InputStream/OutputStream及其子类
- 字符流（Character Stream）：以字符(16bit)为单位，处理文本数据
  - Reader/Writer及其子类

5.1.2 IO流体系

这里直接上图吧，这个图里面也画得很清楚了。我们可以看到Java在设计IO流的时候主要考虑了两个维度，一个是流的方向，而另一个就是流的属性了。如果从流的方向来考虑就是输入流和输出流；从流的属性上考虑就是字节流和字符流了。

另外，在每一个不同的流的实现类中从取名上来讲也很好分辨------我们可以把字节流想象成一个类似输出的框架负责输入和输出，in和out分别代表不同方向；字节流就看成字符串，只不过可是多了一层方向的属性，刚好输入就是reader（读），输出就是writer（写）。至于再往下细分可能不同的小类侧重点又有不同，适合不同的数据类型，这个需要在后续写代码的过程中不断积累。

字节流体系

（1）输入流（InputStream）

java.io.InputStream

├── FileInputStream // 文件输入流

├── ByteArrayInputStream // 字节数组输入流

├── PipedInputStream // 管道输入流

├── FilterInputStream // 过滤流(装饰器基类)

│ ├── BufferedInputStream // 缓冲输入流

│ ├── DataInputStream // 数据输入流(读取基本数据类型)

│ └── PushbackInputStream // 回退输入流

├── ObjectInputStream // 对象反序列化流

└── SequenceInputStream // 序列输入流(合并多个流)

（2）输出流（OutputStream）

java.io.OutputStream

├── FileOutputStream // 文件输出流

├── ByteArrayOutputStream // 字节数组输出流

├── PipedOutputStream // 管道输出流

├── FilterOutputStream // 过滤流(装饰器基类)

│ ├── BufferedOutputStream // 缓冲输出流

│ ├── DataOutputStream // 数据输出流(写入基本数据类型)

│ └── PrintStream // 打印流

└── ObjectOutputStream // 对象序列化流

字符流体系

（1）输入流（Reader）

java.io.Reader

├── InputStreamReader // 字节到字符的桥接流

│ └── FileReader // 文件字符输入流(常用)

├── CharArrayReader // 字符数组输入流

├── PipedReader // 管道字符输入流

├── FilterReader // 过滤字符流

│ └── PushbackReader // 回退字符流

├── BufferedReader // 缓冲字符输入流(常用)

└── StringReader // 字符串输入流

（2）输出流（Writer）

java.io.Writer

├── OutputStreamWriter // 字符到字节的桥接流

│ └── FileWriter // 文件字符输出流(常用)

├── CharArrayWriter // 字符数组输出流

├── PipedWriter // 管道字符输出流

├── FilterWriter // 过滤字符流

├── BufferedWriter // 缓冲字符输出流(常用)

├── PrintWriter // 打印字符流(常用)

└── StringWriter // 字符串输出流

这里只是做一个简单的解释，如果想看详细的解析可以直接尝试看看源码。

5.2 常用I/O流详解

需要注意的是，因为流的运行需要涉及到输入和输出，所以一般需要用try-catch的形式来捕获异常，或者在写代码前就将异常抛出，不然代码会报错。

5.2.1 基础文件流

1. FileInputStream（文件字节输入流）

特点：

用于读取二进制文件
每次读取一个字节（8位）
适合处理图片、音频、视频等非文本文件

构造方法：

java 复制代码

FileInputStream(String name)
FileInputStream(File file)

常用方法：

java 复制代码

int read()  // 读取单个字节
int read(byte[] b)  // 读取到字节数组
int read(byte[] b, int off, int len)  // 读取到数组指定位置

示例代码：

java 复制代码

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class FileInputStreamExample {
    public static void main(String[] args) {
        FileInputStream fis = null;
        try {
            File file = new File("example.txt");
            fis = new FileInputStream(file);
            
            System.out.println("文件大小: " + file.length() + " bytes");
            
            int content;
            while ((content = fis.read()) != -1) {
                System.out.print((char) content);
            }
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("读取文件时发生错误: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (fis != null) {
                try {
                    fis.close();
                } catch (IOException e) {
                    System.err.println("关闭文件流时发生错误: " + e.getMessage());
                }
            }
        }
    }
}

2. FileOutputStream（文件字节输出流）

特点：

用于写入二进制文件
支持追加模式
必须手动调用flush()或close()确保数据写入

构造方法：

java 复制代码

FileOutputStream(String name)
FileOutputStream(String name, boolean append)  // append为true表示追加
FileOutputStream(File file)

常用方法：

java 复制代码

void write(int b)  // 写入单个字节
void write(byte[] b)
void write(byte[] b, int off, int len)

示例代码：

java 复制代码

import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class FileOutputStreamExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用try-with-resources自动关闭资源
        try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("output.log", true)) { // true表示追加模式
            String logEntry = "新的日志条目 - " + System.currentTimeMillis() + "\n";
            
            // 转换为字节数组写入
            byte[] bytes = logEntry.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
            fos.write(bytes);
            
            System.out.println("日志写入成功");
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("写入文件时发生错误: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

5.2.2 缓冲流

BufferedInputStream（缓冲字节输入流）

优势：

默认8KB缓冲区（可配置）
减少实际磁盘I/O次数
特别适合大文件读取

典型用法：缓冲流文件复制

java 复制代码

import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.BufferedOutputStream;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;

public class BufferedFileCopy {
    public static void main(String[] args) {
        if (args.length < 2) {
            System.out.println("用法: java BufferedFileCopy <源文件> <目标文件>");
            return;
        }

        String sourceFile = args[0];
        String destFile = args[1];

        try (
            BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(
                new FileInputStream(sourceFile));
            BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(
                new FileOutputStream(destFile))
        ) {
            byte[] buffer = new byte[8192]; // 8KB缓冲区
            int bytesRead;
            
            while ((bytesRead = bis.read(buffer)) != -1) {
                bos.write(buffer, 0, bytesRead);
            }
            
            System.out.println("文件复制完成");
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("文件复制过程中发生错误: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
            
            // 删除可能不完整的输出文件
            try {
                new java.io.File(destFile).delete();
            } catch (SecurityException se) {
                System.err.println("无法删除不完整的输出文件: " + se.getMessage());
            }
        }
    }
}

BufferedOutputStream（缓冲字节输出流）

注意事项：

必须调用flush()或close()确保数据写出
缓冲区满时自动flush
适合频繁的小数据写入

性能对比：

java 复制代码

// 无缓冲写入1万次（耗时约1200ms）
try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("no_buffer.txt")) {
    for (int i = 0; i < 10_000; i++) {
        fos.write("line\n".getBytes());
    }
}

// 有缓冲写入1万次（耗时约50ms）
try (BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(
        new FileOutputStream("with_buffer.txt"))) {
    for (int i = 0; i < 10_000; i++) {
        bos.write("line\n".getBytes());
    }
    bos.flush();  // 确保所有数据写出
}

5.2.3 字符流

InputStreamReader（字节到字符的桥梁）

核心作用：

将字节流转换为字符流
可指定字符编码（避免乱码）

编码处理示例：

java 复制代码

// 读取GBK编码的文本文件
try (InputStreamReader isr = new InputStreamReader(
        new FileInputStream("gbk_file.txt"), "GBK")) {
    char[] buffer = new char[1024];
    int charsRead;
    while ((charsRead = isr.read(buffer)) != -1) {
        String text = new String(buffer, 0, charsRead);
        System.out.print(text);
    }
}catch{
  ...
}

FileReader（文件字符输入流）

本质：

InputStreamReader的子类
使用系统默认编码（容易导致跨平台问题）

最佳实践：

java 复制代码

// 不推荐（使用默认编码）
FileReader reader = new FileReader("file.txt");

// 推荐做法（明确指定编码）
Reader reader = new InputStreamReader(
    new FileInputStream("file.txt"), StandardCharsets.UTF_8);

BufferedReader（带缓冲的字符流）

特有方法：

java 复制代码

String readLine()  // 读取整行（去掉换行符）

经典用法：

java 复制代码

// 统计文本文件行数
try (BufferedReader br = new BufferedReader(
        new FileReader("big_text.txt"))) {
    int lineCount = 0;
    while (br.readLine() != null) {
        lineCount++;
    }
    System.out.println("总行数: " + lineCount);
}catch{
   ...
}

5.2.4 高级功能流

DataInputStream/DataOutputStream（基本数据类型处理）

支持的数据类型：

所有Java基本类型（int, double, boolean等）
String（UTF格式）

二进制文件读写示例：

java 复制代码

// 写入结构化数据
try (DataOutputStream dos = new DataOutputStream(
        new FileOutputStream("settings.dat"))) {
    dos.writeUTF("系统配置");  // 字符串
    dos.writeInt(1024);      // 整数
    dos.writeDouble(3.1415); // 浮点数
    dos.writeBoolean(true);  // 布尔值
}

// 读取结构化数据
try (DataInputStream dis = new DataInputStream(
        new FileInputStream("settings.dat"))) {
    String title = dis.readUTF();
    int size = dis.readInt();
    double value = dis.readDouble();
    boolean enabled = dis.readBoolean();

    System.out.printf("%s: size=%d, value=%.2f, enabled=%b",
        title, size, value, enabled);
}

ObjectInputStream/ObjectOutputStream（对象序列化）

序列化要求：

实现Serializable接口
建议添加serialVersionUID
transient修饰不序列化的字段

完整示例：

java 复制代码

class User implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String username;
    private transient String password;  // 不被序列化

    // 构造方法、getter/setter省略
}

// 序列化对象
try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(
        new FileOutputStream("user.dat"))) {
    User user = new User("admin", "123456");
    oos.writeObject(user);
}

// 反序列化对象
try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(
        new FileInputStream("user.dat"))) {
    User user = (User) ois.readObject();
    System.out.println(user.getUsername());  // 输出: admin
    System.out.println(user.getPassword());  // 输出: null（transient字段）
}

5.3 常用I/O流示例

5.3.1 文本文件读取示例

java 复制代码

import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;

public class TextFileReader {
    public static void main(String[] args) {
        Path filePath = Paths.get("poem.txt");
        
        // 方法1：传统方式（JDK1.7之前）
        System.out.println("=== 传统读取方式 ===");
        BufferedReader br = null;
        try {
            br = new BufferedReader(
                new FileReader(filePath.toFile()));
            
            String line;
            while ((line = br.readLine()) != null) {
                System.out.println(line);
            }
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("读取文件时发生错误: " + e.getMessage());
        } finally {
            if (br != null) {
                try {
                    br.close();
                } catch (IOException e) {
                    System.err.println("关闭流时发生错误: " + e.getMessage());
                }
            }
        }

        // 方法2：try-with-resources方式（推荐）
        System.out.println("\n=== 现代读取方式 ===");
        try (BufferedReader reader = Files.newBufferedReader(
                filePath, StandardCharsets.UTF_8)) {
            reader.lines().forEach(System.out::println);
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("读取文件时发生错误: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

5.3.2 缓冲字符流完整示例（文本处理）

java 复制代码

import java.io.BufferedReader;
import java.io.BufferedWriter;
import java.io.IOException;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class BufferedTextProcessor {

    public static void main(String[] args) {
        Path inputFile = Paths.get("input.txt");
        Path outputFile = Paths.get("output_uppercase.txt");

        // 处理文本文件（转换为大写）
        processTextFile(inputFile, outputFile);

        // 读取文件到List
        List<String> lines = readLinesFromFile(inputFile);
        System.out.println("读取到 " + lines.size() + " 行文本");
    }

    /**
     * 使用缓冲字符流处理文本文件
     */
    private static void processTextFile(Path input, Path output) {
        try (BufferedReader reader = Files.newBufferedReader(input, StandardCharsets.UTF_8);
             BufferedWriter writer = Files.newBufferedWriter(output, StandardCharsets.UTF_8)) {

            String line;
            int lineCount = 0;

            while ((line = reader.readLine()) != null) {
                // 处理每一行（这里转换为大写）
                String processedLine = line.toUpperCase();
                
                // 写入处理后的行
                writer.write(processedLine);
                writer.newLine(); // 写入系统相关的换行符
                
                lineCount++;
                
                // 每处理100行输出进度
                if (lineCount % 100 == 0) {
                    System.out.println("已处理 " + lineCount + " 行");
                }
            }

            // 确保所有数据写出
            writer.flush();
            
            System.out.println("文件处理完成，共处理 " + lineCount + " 行");

        } catch (IOException e) {
            System.err.println("文本处理失败: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 使用缓冲流读取文件到List
     */
    private static List<String> readLinesFromFile(Path file) {
        List<String> lines = new ArrayList<>();
        
        try (BufferedReader reader = Files.newBufferedReader(file, StandardCharsets.UTF_8)) {
            String line;
            while ((line = reader.readLine()) != null) {
                lines.add(line);
            }
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("读取文件失败: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
        
        return lines;
    }
}

5.3.3 对象序列化与反序列化

java 复制代码

import java.io.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

class Student implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String name;
    private transient String password; // 不被序列化
    private int age;

    public Student(String name, String password, int age) {
        this.name = name;
        this.password = password;
        this.age = age;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", password='" + password + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}

public class ObjectSerializationDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<Student> students = new ArrayList<>();
        students.add(new Student("张三", "zhang123", 20));
        students.add(new Student("李四", "li456", 22));

        // 序列化
        String filename = "students.dat";
        try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(
                new BufferedOutputStream(
                    new FileOutputStream(filename)))) {
            
            oos.writeObject(students);
            System.out.println("对象序列化完成");
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("序列化过程中发生错误: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }

        // 反序列化
        try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(
                new BufferedInputStream(
                    new FileInputStream(filename)))) {
            
            @SuppressWarnings("unchecked")
            List<Student> deserialized = (List<Student>) ois.readObject();
            
            System.out.println("\n反序列化结果:");
            deserialized.forEach(System.out::println);
            
        } catch (IOException | ClassNotFoundException e) {
            System.err.println("反序列化过程中发生错误: " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

ps：这里做一个补充，可能很多人会不明白序列化和反序列化是什么意思。

‌序列化（Serialization） ‌：

将对象的状态信息转换为可存储（如文件、数据库）或可传输（如网络通信）的标准化格式，常见形式包括二进制字节流、JSON、XML等。其本质是解决对象在跨平台、跨语言或持久化场景下的数据交换问题。‌‌

‌反序列化（Deserialization） ‌：

将序列化后的数据重新解析并恢复为内存中的对象，确保程序能继续操作原始数据结构。例如从网络接收的JSON数据还原为程序中的类实例。‌‌

5.4 常用I/O流对比

5.4.1 文件读写流对比

5.4.1.1 FileInputStream vs FileReader

相同点：

都用于文件读取
都是低级流（直接连接数据源）

不同点：

特性	FileInputStream	FileReader
数据类型	字节(8bit)	字符(16bit)
处理内容	二进制文件(图片、视频等)	文本文件
编码处理	无编码转换	自动按系统默认编码/指定编码转换
读取方法	read()返回0-255的int	read()返回0-65535的int(Unicode)

5.4.1.2 FileOutputStream vs FileWriter

相同点：

都用于文件写入
都是低级流

不同点：

特性	FileOutputStream	FileWriter
数据类型	字节	字符
写入内容	二进制数据	文本数据
编码处理	直接写入字节	字符→字节转换(可指定编码)
构造参数	可追加写入(append=true)	可追加写入(append=true)

5.4.2 缓冲流对比

5.4.2.1 BufferedInputStream vs BufferedReader

性能对比：

缓冲流比非缓冲流快8-10倍（减少实际I/O操作次数）
BufferedReader特有readLine()方法

示例对比：

java 复制代码

// 使用BufferedInputStream读取
try (InputStream is = new BufferedInputStream(
        new FileInputStream("largefile.bin"), 8192)) { // 8KB缓冲区
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = is.read(buffer)) != -1) {
        // 处理数据
    }
}

// 使用BufferedReader读取文本
try (BufferedReader br = new BufferedReader(
        new FileReader("text.txt"), 16384)) { // 16KB缓冲区
    String line;
    while ((line = br.readLine()) != null) { // 按行读取
        System.out.println(line);
    }
}

5.4.2.2 缓冲流性能测试

java 复制代码

// 测试无缓冲 vs 有缓冲的复制速度
long start = System.nanoTime();
try (InputStream is = new FileInputStream("1GBfile.zip");
     OutputStream os = new FileOutputStream("copy.zip")) {
    byte[] buffer = new byte[8192];
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = is.read(buffer)) != -1) {
        os.write(buffer, 0, bytesRead);
    }
}
long end = System.nanoTime();
System.out.println("无缓冲耗时: " + (end-start)/1_000_000 + "ms");

start = System.nanoTime();
try (InputStream is = new BufferedInputStream(new FileInputStream("1GBfile.zip"));
     OutputStream os = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("copy.zip"))) {
    byte[] buffer = new byte[8192];
    int bytesRead;
    while ((bytesRead = is.read(buffer)) != -1) {
        os.write(buffer, 0, bytesRead);
    }
}
end = System.nanoTime();
System.out.println("缓冲流耗时: " + (end-start)/1_000_000 + "ms");

典型结果：

无缓冲耗时: 4523ms

缓冲流耗时: 587ms

5.4.3 高级功能流对比

5.4.3.1 DataInputStream vs ObjectInputStream

特性	DataInputStream	ObjectInputStream
主要用途	读取基本数据类型	对象反序列化
读取方法	readInt(), readDouble()等	readObject()
数据格式	简单二进制格式	Java序列化协议
版本兼容	无版本概念	使用serialVersionUID
典型用途	自定义二进制协议	Java对象持久化

示例：

java 复制代码

// DataInputStream读取结构化二进制数据
try (DataInputStream dis = new DataInputStream(
        new FileInputStream("data.bin"))) {
    int version = dis.readInt();
    String name = dis.readUTF();
    double price = dis.readDouble();
    boolean inStock = dis.readBoolean();
}

// ObjectInputStream读取对象
try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(
        new FileInputStream("product.ser"))) {
    Product p = (Product) ois.readObject();
    System.out.println(p);
}

5.4.3.2 PrintStream vs PrintWriter

特性	PrintStream	PrintWriter
继承体系	FilterOutputStream子类	Writer子类
输出目标	字节流	字符流
自动刷新	可配置(autoFlush)	可配置(autoFlush)
异常处理	设置错误标志(无异常抛出)	可获取IO异常
方法	print(), println(), printf()	相同方法集

示例：

java 复制代码

// PrintStream使用(System.out就是PrintStream)
try (PrintStream ps = new PrintStream(
        new FileOutputStream("log.txt"), true, "UTF-8")) {
    ps.println("错误日志:");
    ps.printf("时间: %tF %<tT%n", new Date());
    ps.println("温度: " + 25.6);
}

// PrintWriter使用
try (PrintWriter pw = new PrintWriter(
        new BufferedWriter(new FileWriter("report.txt")))) {
    pw.println("=== 测试报告 ===");
    pw.println("通过用例: " + 42);
    pw.println("失败用例: " + 3);
    pw.printf("通过率: %.2f%%%n", 42.0/45*100);
}

这个就当一个扩展吧，因为感觉这个流和平时用的System.out.print()挺像的。

5.5 流的选择决策树

一样的，建议放大看，几乎涵盖了所有的应用场景。对于不同场景的敏感性是在不断地敲代码中提升的，与其去死记硬背，不如先面对问题，然后针对不同的问题再去寻求答案，找到最适配的方法；这样效率才会大大提升！

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