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  • 第15章 反射

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    • Constructor 与对象创建
    • Field与Method详解
    • 反射应用详解
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    • Stream API 高级详解
    • Optional 详解
    • 新日期时间API详解
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    • var 局部变量类型推断(JDK 10)
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    • String 新增方法(JDK 11)
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    • 直接运行 Java 源文件 — JEP 330(JDK 11)
  • 第18章 JDK12-17新特性

    • 章节导读
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    • 密封类 Sealed Classes(JDK 15 预览 / JDK 17 正式)
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    • Switch 模式匹配 — Pattern Matching for switch(JDK 17 预览 / JDK 21 正式)
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  • 第19章 JDK18-21新特性

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  • 附录

    • Java 核心知识点
    • Java SE 专业术语
    • Java特性索引(JDK 8 → 25)

IO流概述

白歌(架构师):"小崔,想象一下水管里的水流。数据就像水,从源头到目的地,流是它的载体。Java IO的设计灵感正来自于此——把数据传输抽象为'流'。"


一、什么是流

流(Stream) 是Java中对数据传输的抽象。它将数据的源(Source)和目的地(Sink)解耦,无论数据来自文件、网络Socket、内存数组还是键盘输入,程序都可以用统一的方式读写数据。

流的本质:

  • 流不是容器(不同于数组或集合),不存储数据本身
  • 流是单向的、顺序的数据通道——一旦数据流过,就无法回溯
  • 流的两端可以是对称的(文件到文件),也可以是不对称的(键盘到文件)

二、流的分类体系

Java IO流从三个维度进行分类:

分类定义速查表

分类维度类型说明典型类
数据流向输入流从外部设备读取数据到程序InputStream, Reader 的子类
数据流向输出流从程序写出数据到外部设备OutputStream, Writer 的子类
处理单位字节流以字节(8 bit)为单位处理,适合所有数据类型FileInputStream, FileOutputStream
处理单位字符流以字符(16 bit)为单位处理,只适合文本数据FileReader, FileWriter
功能角色节点流直接与数据源/目的地相连FileInputStream, FileReader
功能角色处理流包装已有流对象,增强功能BufferedInputStream, InputStreamReader

三、四个抽象基类

Java IO的整个类体系构建在四个抽象基类之上:

核心方法速查

基类核心方法返回值说明
InputStreamint read()0~255的字节值,返回-1表示结束每次读取一个字节,效率低
InputStreamint read(byte[] b)实际读取的字节数,返回-1表示结束批量读取到字节数组
OutputStreamvoid write(int b)无写出单个字节的低8位
OutputStreamvoid write(byte[] b)无写出整个字节数组
OutputStreamvoid flush()无强制将缓冲区数据写出
Readerint read()0~65535的字符值,返回-1表示结束每次读取一个字符
Readerint read(char[] cbuf)实际读取的字符数批量读取到字符数组
Writervoid write(String str)无写出字符串(字符流独有)

关键区别:Writer 可以直接 write(String),而 OutputStream 没有此方法——这体现了字符流对文本处理的天然优势。


四、节点流 vs 处理流 —— 装饰器模式的体现

4.1 节点流

节点流是直接与数据源/目的地连接的"裸流"。它们提供了最基本的读写能力,但没有缓冲、编码转换等高级功能。

节点流对应基类数据源/目的地
FileInputStreamInputStream文件(字节)
FileOutputStreamOutputStream文件(字节)
FileReaderReader文件(字符)
FileWriterWriter文件(字符)
ByteArrayInputStreamInputStream内存字节数组
ByteArrayOutputStreamOutputStream内存字节数组

4.2 处理流 —— 装饰器模式的经典应用

处理流不直接连接数据源,而是包装(装饰) 已有的流对象,在原有功能上叠加新能力。这完美体现了装饰器设计模式。

核心关系:所有处理流都同时继承基类并持有基类的引用——这是装饰器模式的标志性结构。

// 装饰器模式的结构特征
public class BufferedInputStream extends FilterInputStream {
    // FilterInputStream 继承 InputStream 并持有 InputStream 引用
    // 这就是"自己也是流,内部又包装了一个流"
}
处理流装饰后增强的能力
BufferedInputStream添加内部缓冲区,减少物理读取次数
BufferedReader添加内部缓冲 + readLine() 按行读取
InputStreamReader将字节流转换为字符流(桥梁)
DataInputStream按Java基本数据类型读取
ObjectInputStream反序列化Java对象
PrintWriter添加 print() / println() 方法

五、IO流家族全景图

记忆技巧:字节流以 Stream 结尾,字符流以 Reader/Writer 结尾。凡是带 Buffered 的都是处理流,凡是带 File 的大多是节点流。


六、完整示例:飞翔科技员工数据读取

场景描述

飞翔科技技术部小崔需要读取存储在 employees.txt 中的员工信息。文件内容如下:

大翔|技术总监|38
白歌|架构师|32
小崔|初级后端|24
李眉|高级后端|29

示例一:用字节流读取(偏底层)

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

public class EmployeeByteReader {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用 try-with-resources 自动关闭流(JDK 7+)
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("C:/data/employees.txt")) {
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len;
            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            while ((len = fis.read(buffer)) != -1) {
                // 将字节数组转为字符串
                sb.append(new String(buffer, 0, len));
            }
            System.out.println("=== 飞翔科技员工列表(字节流读取)===");
            System.out.println(sb.toString());
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("读取员工文件失败:" + e.getMessage());
        }
    }
}
运行输出:
=== 飞翔科技员工列表(字节流读取)===
大翔|技术总监|38
白歌|架构师|32
小崔|初级后端|24
李眉|高级后端|29

注意:字节流按字节读取,对纯英文/数字文本没有问题,但遇到中文字符时如果拆得不巧会出现乱码——这是因为一个中文字符占多个字节。

示例二:用处理流组合装饰

import java.io.*;

public class EmployeeBufferedReader {
    public static void main(String[] args) {
        // 装饰器模式:FileInputStream -> InputStreamReader -> BufferedReader
        // FileInputStream:     节点流,连接文件
        // InputStreamReader:  处理流,字节->字符(桥梁)
        // BufferedReader:     处理流,添加缓冲和按行读取
        try (BufferedReader br = new BufferedReader(
                new InputStreamReader(
                    new FileInputStream("C:/data/employees.txt"), "UTF-8"))) {
            String line;
            System.out.println("=== 飞翔科技员工列表(装饰器链读取)===");
            while ((line = br.readLine()) != null) {
                String[] parts = line.split("\\|");
                System.out.printf("姓名:%-6s  职位:%-8s  年龄:%s%n",
                    parts[0], parts[1], parts[2]);
            }
        } catch (IOException e) {
            System.err.println("读取员工文件失败:" + e.getMessage());
        }
    }
}
运行输出:
=== 飞翔科技员工列表(装饰器链读取)===
姓名:大翔    职位:技术总监    年龄:38
姓名:白歌    职位:架构师      年龄:32
姓名:小崔    职位:初级后端    年龄:24
姓名:李眉    职位:高级后端    年龄:29

七、易错场景

反例一:流未关闭导致资源泄漏

小崔最初写文件操作时忘了关闭流:

// ❌ 错误:流未关闭,文件句柄泄漏
FileInputStream fis = new FileInputStream("data.txt");
byte[] data = new byte[1024];
fis.read(data);
// 没有 fis.close(); —— 文件句柄一直被占用
// 多次调用后可能报错:Too many open files

后果:操作系统对单个进程可打开的文件句柄数有限制(Linux通常为1024),泄漏会导致"Too many open files"错误,甚至整个服务不可用。

反例二:在 finally 中关闭流但忽略了空指针和异常

// ❌ 错误:close() 在 finally 中但没处理 null 和异常
FileInputStream fis = null;
try {
    fis = new FileInputStream("data.txt");
    // ...操作
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
} finally {
    fis.close();  // 如果 fis 为 null 或 close() 本身抛异常呢?
}

正确做法:try-with-resources(JDK 7+)

// ✅ 正确:try-with-resources 自动关闭,代码简洁安全
try (FileInputStream fis = new FileInputStream("data.txt");
     BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis)) {
    byte[] data = new byte[1024];
    int len;
    while ((len = bis.read(data)) != -1) {
        System.out.write(data, 0, len);
    }
} catch (IOException e) {
    System.err.println("IO操作失败:" + e.getMessage());
}
// try 块结束时,bis.close() 和 fis.close() 自动按逆序调用

原理:try-with-resources 要求资源对象实现 AutoCloseable 接口。所有 IO 流都实现了此接口。退出 try 块时,JVM 自动按声明的逆序调用 close(),并抑制次要异常。


八、面试考点

Q1:字节流和字符流有什么区别?什么时候用哪个?

字节流以字节(8 bit)为单位处理,可以处理任意数据类型(文本、图片、视频、音频),但处理文本时需要程序员自行管理字符编码。字符流以字符(16 bit Unicode)为单位,自动处理编码转换,只能处理文本数据。

选择原则:凡是处理人类可读的文本(JSON、XML、日志、源代码),用字符流;凡是处理二进制数据(图片、PDF、视频、加密文件),用字节流。

Q2:节点流和处理流的区别是什么?

节点流是直接与数据源/目的地连接的"底层流",如 FileInputStream 直接操作文件。处理流通过包装(装饰)已有流对象来增强功能,如 BufferedInputStream 在普通流之上添加缓冲能力。

判断标准:new FileInputStream("a.txt") 接受字符串路径的是节点流;new BufferedInputStream(另一个Stream对象) 接受流对象的是处理流。

Q3:什么是装饰器模式?Java IO如何体现?

装饰器模式是一种结构型设计模式,允许在不修改原有类的情况下,动态地给对象添加新功能。Java IO 中,FilterInputStream / FilterOutputStream / FilterReader / FilterWriter 是装饰器的基类——它们同时继承基类(is-a 关系)并持有基类引用(has-a 关系)。通过层层嵌套,可以灵活组合功能:

new DataInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream("data.bin")))
// 从底层到高层:文件读取 -> 缓冲加速 -> 按数据类型解析

Q4:InputStream的read()返回int而非byte,为什么?

因为 byte 的取值范围是 -128 ~ 127,而 read() 需要用 -1 表示流结束。如果返回 byte,无法区分"读到了值为255(转为byte是-1)的字节"和"流已结束"。因此返回值设计为 int,用 -1 专门表示流结束,0~255 表示有效字节数据。


大翔:"把流的概念搞清楚了,后面的具体类就一通百通了。下面我们从最直接的字节流开始,看看怎么读写二进制文件。"

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