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Java IO 流：从字节到字符再到Java 装饰者模式（Decorator Pattern），解析与应用掌握数据流动的艺术

article 2026/2/27 14:22:19

在 Java 编程中，IO（输入输出）流是处理数据输入输出的核心工具。无论是读取文件、网络通信，还是处理用户输入，IO 流都扮演着重要角色。本文将深入探讨 Java IO 流的核心概念、分类、经典代码实例及其应用场景，帮助你全面掌握数据流动的艺术。

1. Java IO 流的核心概念

1.1 什么是 IO 流？

IO 流是 Java 中用于处理输入输出数据的抽象概念。它可以将数据从一个地方（如文件、网络）传输到另一个地方（如内存、控制台）。

1.2 IO 流的分类

按数据单位：
- 字节流：以字节为单位读写数据，适用于二进制文件（如图片、视频）。
- 字符流：以字符为单位读写数据，适用于文本文件。
按流向：
- 输入流：从外部读取数据到程序中。
- 输出流：将程序中的数据写入外部。

2. Java IO 流的经典类

2.1 字节流

字节流主要用于处理二进制数据。Java 提供了 InputStream 和 OutputStream 作为字节流的基类。

InputStream：字节输入流的基类。
- 常用实现类：FileInputStream、BufferedInputStream。
OutputStream：字节输出流的基类。
- 常用实现类：FileOutputStream、BufferedOutputStream。

2.2 字符流

Reader：字符输入流的基类。
- 常用实现类：FileReader、BufferedReader。
Writer：字符输出流的基类。
- 常用实现类：FileWriter、BufferedWriter。

3. 经典代码实例

3.1 字节流：文件复制

以下是一个使用字节流复制文件的示例：

//代码解读：
//使用 FileInputStream 读取源文件。
//
//FileOutputStream 写入目标文件。
//
//通过缓冲区 byte[] buffer 提高读写效率。//使用 try-with-resources 语法自动关闭流。import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;public class ByteStreamExample {public static void main(String[] args) {try (FileInputStream fis = new FileInputStream("source.txt");FileOutputStream fos = new FileOutputStream("target.txt")) {byte[] buffer = new byte[1024];int length;while ((length = fis.read(buffer)) != -1) {fos.write(buffer, 0, length);}System.out.println("文件复制完成！");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

3.2 字符流：文本文件读取

以下是一个使用字符流读取文本文件的示例：

//代码解读：
//使用 FileReader 读取文本文件。//使用 BufferedReader 包装 FileReader，提高读取效率。通过 readLine() 方法逐行读取文件内容。
import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;public class CharStreamExample {public static void main(String[] args) {try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("source.txt"))) {String line;while ((line = br.readLine()) != null) {System.out.println(line);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

3.3 缓冲流：高效文件读写

以下是一个使用缓冲流读写文件的示例：

//使用 BufferedReader 和 BufferedWriter 包装字符流，提高读写效率。//通过 readLine() 和 write() 方法逐行读写文件。
import java.io.*;public class BufferedStreamExample {public static void main(String[] args) {try (BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("source.txt"));BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new FileWriter("target.txt"))) {String line;while ((line = br.readLine()) != null) {bw.write(line);bw.newLine();  // 写入换行符}System.out.println("文件读写完成！");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

3.4 对象流：序列化与反序列化

Java 提供 ObjectOutputStream 和 ObjectInputStream 来进行对象的序列化和反序列化。

import java.io.*;class Person implements Serializable {private static final long serialVersionUID = 1L;private String name;private int age;public Person(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}@Overridepublic String toString() {return "Person{name='" + name + "', age=" + age + "}";}
}public class ObjectStreamExample {public static void main(String[] args) {String filePath = "person.ser";try (ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(filePath))) {Person p = new Person("Alice", 25);oos.writeObject(p);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}try (ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(filePath))) {Person p = (Person) ois.readObject();System.out.println("反序列化对象: " + p);} catch (IOException | ClassNotFoundException e) {e.printStackTrace();}}
}

3.5 转换流：示例

转换流 适用于字节与字符的转换，支持编码格式转换。

import java.io.*;public class ConvertStreamExample {public static void main(String[] args) {try (OutputStreamWriter osw = new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("example.txt"), "UTF-8")) {osw.write("你好，世界！");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}try (InputStreamReader isr = new InputStreamReader(new FileInputStream("example.txt"), "UTF-8")) {int data;while ((data = isr.read()) != -1) {System.out.print((char) data);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

3.6 PrintStream 和 PrintWriter

import java.io.PrintStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;public class PrintStreamExample {public static void main(String[] args) {try (PrintStream ps = new PrintStream(new FileOutputStream("printStream.txt"))) {ps.println("Hello, PrintStream!");ps.printf("Formatted number: %.2f", 123.456);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

import java.io.PrintWriter;
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;public class PrintWriterExample {public static void main(String[] args) {try (PrintWriter pw = new PrintWriter(new FileWriter("printWriter.txt"))) {pw.println("Hello, PrintWriter!");pw.printf("Formatted text: %s", "Java IO");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

4. 装饰者模式（Decorator Pattern）

在 Java 语言中，装饰者模式（Decorator Pattern） 是一种结构型设计模式，它允许动态地为对象添加新功能，而不改变其原始结构。在 Java 的 IO（输入/输出）系统中，装饰者模式被广泛应用，例如 BufferedReader 便是 Reader 的装饰者。

4.1. 装饰者模式概述

装饰者模式的特点

增强功能：在不修改原有类的情况下，动态添加新功能。
符合开闭原则（OCP）：对扩展开放，对修改封闭。
支持递归组合：装饰者可以装饰另一个装饰者，实现更复杂的功能。

典型应用场景

Java IO（BufferedReader 装饰 FileReader 提高效率）。
图形界面（BorderDecorator 装饰 Window 以增加边框）。
数据加密（DataStream 装饰 FileStream 以增加加密功能）。

4.2 代码示例：基于装饰者模式的 Reader 设计

在 Decorator_pattern 目录下，我们设计了一组 Reader_ 类，它们模仿 Java IO 中的 Reader，并通过装饰者模式扩展其功能。

Reader_（抽象基类）

//作用：//Reader_ 是抽象基类，定义了 read() 和 readLine() 方法。//允许子类继承，实现具体的读取方式。import java.io.Reader;
import java.io.IOException;abstract class Reader_ {protected Reader reader;public Reader_(Reader reader) {this.reader = reader;}public abstract int read() throws IOException;public abstract String readLine() throws IOException;public void close() throws IOException {reader.close();}
}

File_reader_（从文件读取数据）

//作用：
//
//直接从文件读取字符。//不支持 readLine()，需要 BufferedReader 进行封装。import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;class File_reader_ extends Reader_ {public File_reader_(String filePath) throws IOException {super(new FileReader(filePath));}@Overridepublic int read() throws IOException {return reader.read();}@Overridepublic String readLine() throws IOException {throw new UnsupportedOperationException("FileReader 不支持 readLine");}
}

Buffered_reader_（增强 File_reader_，增加缓冲）

//作用：//BufferedReader 的封装，提供 readLine() 方法。//装饰 File_reader_，增强其功能。class Buffered_reader_ extends Reader_ {private BufferedReader bufferedReader;public Buffered_reader_(Reader_ reader) {super(reader.reader);this.bufferedReader = new BufferedReader(reader);}@Overridepublic int read() throws IOException {return bufferedReader.read();}@Overridepublic String readLine() throws IOException {return bufferedReader.readLine();}
}

String_reader_（从字符串读取数据）

//作用：//直接从 String 读取数据，而不是文件。
import java.io.StringReader;
import java.io.IOException;class String_reader_ extends Reader_ {public String_reader_(String data) {super(new StringReader(data));}@Overridepublic int read() throws IOException {return reader.read();}@Overridepublic String readLine() throws IOException {throw new UnsupportedOperationException("StringReader 不支持 readLine");}
}

Test（测试代码）

import java.io.IOException;public class Test {public static void main(String[] args) {try {System.out.println("读取文件示例：");Reader_ fileReader = new File_reader_("example.txt");Reader_ bufferedReader = new Buffered_reader_(fileReader);String line;while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) {System.out.println(line);}bufferedReader.close();System.out.println("\n读取字符串示例：");Reader_ stringReader = new String_reader_("Hello, World!");int ch;while ((ch = stringReader.read()) != -1) {System.out.print((char) ch);}stringReader.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

4.3 小结

通过装饰者模式，我们可以 灵活组合不同的 Reader_ 类，增强功能。

5. IO 流的应用场景

5.1 文件操作

读取、写入、复制、删除文件。
示例：日志文件处理、配置文件读取。

5.2 网络通信

通过 Socket 实现客户端和服务器之间的数据传输。
示例：文件传输、实时聊天。

5.3 数据处理

解析 CSV、JSON 等格式的数据。
示例：数据导入导出、数据分析。

6. IO 流的最佳实践

6.1 使用缓冲流

缓冲流（如 BufferedReader、BufferedInputStream）可以显著提高 IO 性能。

6.2 使用 try-with-resources

确保流在使用后自动关闭，避免资源泄漏。

6.3 处理大文件

对于大文件，使用分块读写（如 byte[] buffer）避免内存溢出。

7. 总结

Java IO 流是处理数据输入输出的核心工具，涵盖了字节流、字符流、缓冲流等多种类型。通过经典代码实例和最佳实践，本文帮助你全面掌握 IO 流的使用方法。无论是文件操作、网络通信，还是数据处理，IO 流都能为你提供强大的支持。