深入了解Java IO

Java IO是Java中重要的一部分，也是Java應用程序中最常用的模塊之一。在Java IO中，我們可以使用輸入/輸出流來讀寫數據。除此之外，Java IO還有一些強大的API，如NIO（New I/O）和文件操作庫，可以提供更高效和更靈活的IO操作。

一、Java IO的基本概念

Java中的IO（輸入/輸出）是與外部數據源進行交互的過程，例如磁碟文件，網路連接或標準輸入/輸出流。Java IO API提供了諸如讀/寫文件和連接網路的方法，以及用於處理數據的工具類和介面。Java IO分為兩種類型：位元組IO和字元IO。位元組IO以位元組為基本單元從流中讀取和寫入數據，而字元IO則以字元為基本單元。每個Java IO API都實現了流處理模型，其中數據按順序讀取或寫入。

Java中的IO由4個類組成：InputStream，OutputStream，Reader和Writer。InputStream和OutputStream是位元組IO的基礎，常用於二進位文件的讀寫操作；Reader和Writer是字元IO的基礎，常用於文本文件的讀寫操作。

public class FileIOExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 創建一個輸入流
            InputStream inputStream = new FileInputStream("input.txt");

            // 創建一個輸出流
            OutputStream outputStream = new FileOutputStream("output.txt");

            // 創建字元輸入流
            Reader reader = new FileReader("input.txt");

            // 創建字元輸出流
            Writer writer = new FileWriter("output.txt");
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件IO操作出錯：" + e.getMessage());
        }
    }
}

二、Java IO的流處理和緩衝

流處理模式是讀/寫數據的基本方式，也是Java IO技術的核心。Java中的流對象採用「管道」模式，其中從源讀取數據的流被連接到輸出數據的目標流。Java IO API提供了多個流類型，其中每個流對象可以讀/寫不同類型的數據。例如：DataInputStream是一個位元組流，可以讀取基本數據類型，並將它們解析為Java原語。

Java IO API還定義了一個BufferedInputStream類和BufferedOutputStream類，它們使用內存緩衝區，並通過使用緩衝區來減少文件讀取和寫入操作的次數，從而提高IO操作的性能。緩衝區是一塊內存，用於中轉數據，其中數據一次性被載入並保存在內存中，以減少IO操作對磁碟的訪問。

public class BufferedFileIOExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 創建一個輸入流，使用緩衝區
            InputStream inputStream = new BufferedInputStream(new FileInputStream("input.txt"));

            // 創建一個輸出流，使用緩衝區
            OutputStream outputStream = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("output.txt"));

            // 創建字元輸入流，使用緩衝區
            Reader reader = new BufferedReader(new FileReader("input.txt"));

            // 創建字元輸出流，使用緩衝區
            Writer writer = new BufferedWriter(new FileWriter("output.txt"));
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件IO操作出錯：" + e.getMessage());
        }
    }
}

三、Java文件操作

Java IO API提供了很多文件操作相關的類和方法。常見的文件操作包括文件讀取、寫入、重命名、刪除等操作。

在Java文件讀取過程中，經常使用FileInputStream和FileReader兩個類來讀取文件。FileInputStream是對文件進行位元組操作的類，而FileReader是對文件進行字元操作的類。在讀取文件時，可以使用Scanner，BufferedReader或InputStreamReader等類，根據實際應用場景進行選擇。

/**
 * 文件操作類
 */
public class FileOperationExample {

    /**
     * 讀取文件內容
     *
     * @param filePath
     */
    public static void readFile(String filePath) {
        try {
            // 使用BufferedReader類讀取文件內容
            FileReader fileReader = new FileReader(filePath);
            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(fileReader);
            String line = null;
            while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) {
                System.out.println(line);
            }
            bufferedReader.close();
            fileReader.close();
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("讀取文件出錯：" + e.getMessage());
        }
    }

    /**
     * 寫入文件內容
     *
     * @param filePath
     */
    public static void writeFile(String filePath) {
        try {
            // 使用BufferedWriter類寫入文件內容
            FileWriter fileWriter = new FileWriter(filePath);
            BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(fileWriter);
            bufferedWriter.write("Hello World");
            bufferedWriter.newLine();
            bufferedWriter.write("Java IO");
            bufferedWriter.close();
            fileWriter.close();
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("寫入文件出錯：" + e.getMessage());
        }
    }

    /**
     * 重命名文件
     *
     * @param oldFilePath
     * @param newFilePath
     */
    public static void renameFile(String oldFilePath, String newFilePath) {
        File oldFile = new File(oldFilePath);
        if (oldFile.exists()) {
            oldFile.renameTo(new File(newFilePath));
        }
    }

    /**
     * 刪除文件
     *
     * @param filePath
     */
    public static void deleteFile(String filePath) {
        File file = new File(filePath);
        if (file.exists()) {
            file.delete();
        }
    }
}

四、NIO與Java IO的比較

Java IO是一種基於流的IO模型，當數據被發送或接收時，整個流都要被阻塞。這種模型不適合高負載的應用程序，因為他們需要快速地對大量數據進行讀寫操作。為了解決這個問題，Java NIO被引入。

Java NIO提供了一種非阻塞處理IO操作的方式，並且採用多路復用的實現方式，可以同時處理多個IO操作，提高了吞吐量和處理效率。另外，Java NIO中也提供了緩衝區，可以預讀取數據，減少了IO操作對磁碟的訪問。

與Java IO相比，Java NIO相對複雜。因為它有很多新的概念，如通道，選擇器，緩衝區和非阻塞IO的概念。以下是Java IO和Java NIO的比較：

• Java IO：阻塞，InputStream/OutputStream、Reader/Writer，Byte/Character I/O
• Java NIO：非阻塞、I/O選擇器、Channel、緩衝區、文件I/O等

public class NIOExample {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 創建文件輸入流
        FileInputStream fis = new FileInputStream("input.txt");

        // 獲取通道
        FileChannel channel = fis.getChannel();

        // 分配緩衝區大小
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        // 讀取緩衝區數據
        int len = channel.read(buffer);

        while (len != -1) {
            System.out.println("Read length: " + len);
            buffer.flip();
            while (buffer.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) buffer.get());
            }
            buffer.clear();
            len = channel.read(buffer);
        }
        fis.close();
    }
}

五、總結

Java IO是Java應用程序中最常用的模塊之一，提供了讀寫數據的方法，包括位元組IO和字元IO。Java IO API也提供了緩衝、文件操作、NIO等強大的API來提高應用程序的性能和靈活性。

除了Java IO，Java NIO非常適合高吞吐量的應用程序。Java NIO提供了一種非阻塞處理IO操作的方式，並且採用多路復用的實現方式，可以同時處理多個IO操作。