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深入理解 Java IO 流 —— 从入门到实战

news 2025/8/23 14:35:15

        在 Java 开发中，IO 流（Input/Output Stream） 是最常用、最基础的技术之一。无论是文件操作、网络传输，还是日志记录与数据持久化，都离不开 IO 流的支持。本文将带你系统学习 Java IO 流，涵盖 字节流、字符流、缓冲流、转换流、对象流、标准流、打印流 等内容，并结合大量案例，帮助你在实际开发中灵活应用。

一、IO 流的基本概念

在计算机系统中，所有的数据都是以 二进制（0 和 1） 的形式存储的。IO 流是一种抽象的概念，用于描述数据在 程序与设备（文件、内存、网络、控制台等）之间的传输方式。

1.1 流的方向

  • 输入流（Input Stream）：数据从设备流入程序，例如从文件读取数据。

  • 输出流（Output Stream）：数据从程序流向设备，例如向文件写入数据。

记忆方法：始终以 程序为参照物，从程序角度判断方向。

1.2 按数据单位分类

  • 字节流（byte）：以字节为单位（1 byte = 8 bit），适合处理任意文件（文本、图片、视频、音频等）。

  • 字符流（char）：以字符为单位，专门用于处理文本文件，支持字符集编码。

1.3 四大抽象基类

在 Java 中，所有 IO 流都派生自以下四个抽象基类：

  • InputStream —— 字节输入流的父类

  • OutputStream —— 字节输出流的父类

  • Reader —— 字符输入流的父类

  • Writer —— 字符输出流的父类

所有具体流类都继承自它们之一。

二、字节流详解

2.1 FileInputStream —— 文件字节输入流

用于从文件中读取字节数据。

InputStream is = new FileInputStream("D:/test/a.txt");
int data;
while ((data = is.read()) != -1) {System.out.print((char) data);
}
is.close();

常用方法：

  • int read()：读取单个字节，返回值为字节数据或 -1（文件结束）。

  • int read(byte[] b)：读取多个字节到数组，返回实际读取长度。

  • int read(byte[] b, int off, int len)：读取部分字节到数组指定位置。

2.2 FileOutputStream —— 文件字节输出流

用于向文件中写入字节数据。

OutputStream os = new FileOutputStream("D:/test/b.txt");
os.write("Hello IO".getBytes());
os.close();

常用方法：

  • void write(int b)：写入单个字节。

  • void write(byte[] b)：写入整个字节数组。

  • void write(byte[] b, int off, int len)：写入数组部分内容。

⚠ 注意：默认会覆盖原文件内容，可以使用 追加模式：

OutputStream os = new FileOutputStream("D:/test/b.txt", true);

2.3 案例：文件复制

InputStream is = new FileInputStream("src/a.txt");
OutputStream os = new FileOutputStream("src/b.txt");byte[] buffer = new byte[1024];
int len;
while ((len = is.read(buffer)) != -1) {os.write(buffer, 0, len);
}os.close();
is.close();

三、字符流详解

字符流适用于文本文件，支持编码和解码。

3.1 FileReader —— 文件字符输入流

Reader reader = new FileReader("src/a.txt");
int ch;
while ((ch = reader.read()) != -1) {System.out.print((char) ch);
}
reader.close();

3.2 FileWriter —— 文件字符输出流

Writer writer = new FileWriter("src/b.txt");
writer.write("你好，世界！\n");
writer.close();

⚠ 注意：字符流不能操作非文本文件（如图片、视频），否则会乱码或损坏文件。

3.3 案例：文本文件拷贝

Reader reader = new FileReader("src/a.txt");
Writer writer = new FileWriter("src/b.txt", true); // 追加模式char[] buffer = new char[1024];
int len;
while ((len = reader.read(buffer)) != -1) {writer.write(buffer, 0, len);
}writer.close();
reader.close();

四、缓冲流

缓冲流是一种 增强流，通过 缓冲区机制 提升读写效率。

4.1 缓冲字节流

  • BufferedInputStream

  • BufferedOutputStream

BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("src/a.jpg"));
BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("src/b.jpg"));byte[] buffer = new byte[1024];
int len;
while ((len = bis.read(buffer)) != -1) {bos.write(buffer, 0, len);
}bos.close();
bis.close();

4.2 缓冲字符流

  • BufferedReader —— 新增 readLine() 方法，可逐行读取。

  • BufferedWriter —— 新增 newLine() 方法，跨平台换行。

BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("src/a.txt"));
BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("src/b.txt"));String line;
while ((line = br.readLine()) != null) {bw.write(line);bw.newLine();
}bw.close();
br.close();

五、转换流

5.1 InputStreamReader 与 OutputStreamWriter

  • 作用：字节流和字符流之间的桥梁。

  • 解决编码问题（UTF-8 / GBK）。

Reader reader = new InputStreamReader(new FileInputStream("src/gbk.txt"), "GBK");
int ch;
while ((ch = reader.read()) != -1) {System.out.print((char) ch);
}
reader.close();

Writer writer = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("src/utf8.txt"), "UTF-8");
writer.write("你好，世界！");
writer.close();

六、标准流

  • System.in —— 标准输入（键盘）。

  • System.out —— 标准输出（控制台）。

  • System.err —— 标准错误输出。

案例：重定向标准输出

PrintStream ps = new PrintStream("log.txt");
System.setOut(ps);
System.out.println("日志内容");

七、对象流

用于对象序列化与反序列化。

7.1 ObjectOutputStream

ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("data.obj"));
oos.writeObject(new Person("张三", 20));
oos.close();

7.2 ObjectInputStream

ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("data.obj"));
Person p = (Person) ois.readObject();
ois.close();

⚠ 注意：

  • 对象必须实现 Serializable 接口。

  • transient 修饰的属性不会被序列化。

八、打印流

8.1 PrintStream

PrintStream ps = new PrintStream("out.txt");
ps.println("Hello PrintStream");
ps.printf("姓名: %s, 年龄: %d", "张三", 20);
ps.close();

8.2 PrintWriter

支持字符编码设置，常用于 Web 开发。

PrintWriter pw = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("out.txt"), "UTF-8"));
pw.println("你好，世界");
pw.close();

九、实战应用场景

  1. 文件拷贝工具类：封装字节流操作，支持大文件复制。

  2. 日志系统：使用 PrintWriter 结合 BufferedWriter 实现高效日志写入。

  3. 配置文件读取：使用 BufferedReader 逐行解析配置。

  4. 对象持久化：使用 ObjectOutputStream 将对象保存到磁盘。

十、总结与面试考点

在学习和掌握了 IO 流的概念、分类以及常用的 API 之后，我们来总结一下核心要点，并结合常见的面试问题进行详细分析。

10.1 字节流与字符流的区别

  • 字节流：以字节为单位（8 位），几乎可以操作所有类型的文件，包括文本、图片、音频、视频。

  • 字符流：以字符为单位（16 位），只适合处理文本数据，更加关注字符编码（UTF-8、GBK 等）。

  • 面试陷阱：为什么图片或音频必须用字节流？因为它们不是文本文件，字符流会尝试编码/解码，导致文件损坏。

10.2 输入流与输出流的区别

  • 输入流：从外部数据源（文件、网络、内存）读取数据到程序中。

  • 输出流：将数据从程序写出到外部目标（文件、网络、内存）。

  • 面试常问：如果要实现文件复制，至少需要哪两种流？答案是输入流和输出流配合使用。

10.3 节点流与处理流（增强流）

  • 节点流：直接与数据源或目的地交互，例如 FileInputStream、FileReader。

  • 处理流（增强流）：对节点流进行包装，增加功能或提高性能，例如 BufferedInputStream、InputStreamReader。

  • 面试考点：为什么要使用缓冲流？答：减少磁盘 IO 次数，提升效率。

10.4 常见流的应用场景

  • 字节流：复制二进制文件（图片、视频、音频）。

  • 字符流：读写文本文件。

  • 缓冲流：高效读写大文件，适合日志系统。

  • 转换流：解决编码问题（GBK ↔ UTF-8）。

  • 对象流：实现对象序列化与反序列化。

  • 打印流：日志打印、格式化输出。

10.5 异常处理与资源释放

  • 传统方式：try-catch-finally 手动关闭流。

  • JDK 7+：try-with-resources 自动关闭流，更加简洁安全。

  • 面试延伸：为什么必须关闭流？答：流会占用操作系统资源（文件句柄、内存等），不关闭会造成资源泄露。

10.6 编码问题与解决方案

  • 不同系统的默认编码可能不同，可能导致乱码。

  • 使用转换流（InputStreamReader/OutputStreamWriter）指定编码格式，避免乱码。

  • 面试延伸：为什么 Windows 下用 FileReader 读取 UTF-8 文件可能乱码？答：因为 FileReader 使用系统默认编码（Windows 默认 GBK），与文件实际编码（UTF-8）不一致。

10.7 对象序列化与反序列化

  • 序列化：将对象转为字节流，写入文件或通过网络传输。

  • 反序列化：将字节流还原为对象。

  • 必须实现 Serializable 接口。

  • 关键字：transient 修饰的变量不会被序列化。

  • 面试考点：如果对象中有不可序列化的成员怎么办？答：使用 transient 忽略，或让其也实现 Serializable。

10.8 高级面试题示例

  1. 问题：如何在 Java 中实现文件的高效复制？ 答案：使用字节缓冲流（BufferedInputStream/BufferedOutputStream），避免逐字节操作。

  2. 问题：如何避免 IO 流中出现内存泄漏？ 答案：始终关闭流，推荐使用 JDK7+ 的 try-with-resources。

  3. 问题：字节流和字符流能否互换？ 答案：不能直接互换，但可以通过转换流（InputStreamReader、OutputStreamWriter）实现。

  4. 问题：为什么 PrintWriter 在 Web 开发中更常用？ 答案：因为 PrintWriter 支持字符编码设置，更适合输出文本数据（如 HTML、JSON）。

结语

Java IO 流体系庞大而灵活，是 Java 基础中的重点。掌握 IO 流不仅能应对常见的文件读写，还能为网络编程、多线程日志、持久化存储等提供坚实基础。希望本文的系统总结与案例讲解，能帮助你在学习与开发中得心应手，也能在面试中脱颖而出。

http://www.dtcms.com/a/346269.html

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