Java I/O

学习目标

理解 Java I/O 的基本概念与核心组件
掌握标准输入输出流 System.in、System.out 和 System.err 的使用方式
区分字节流（Byte Stream）与字符流（Character Stream）的适用场景
能够使用常见 I/O 类完成文件读写操作
了解格式化输出（printf）的用法

什么是 Java I/O

Java I/O（Input/Output）是 java.io 包中提供的一套用于处理数据输入与输出的类和流。它支持从多种源（如文件、键盘、网络）读取数据，并将数据写入到目标（如文件、控制台、Socket）。

Java I/O 提供两类流：

字节流（Byte Streams）：处理原始 8 位字节数据，适用于二进制文件（如图片、音频）
字符流（Character Streams）：处理 16 位 Unicode 字符，适用于文本文件，自动处理编码转换

标准 I/O 流

Java 预定义了三个最常用的标准流，无需显式创建即可直接使用：

流	类型	作用
`System.in`	`InputStream`	标准输入（通常来自键盘）
`System.out`	`PrintStream`	标准输出（通常显示在控制台）
`System.err`	`PrintStream`	标准错误输出（独立于正常输出，便于调试）

1. System.in

标准输入

System.in 是一个 InputStream，但直接使用较繁琐，通常配合 Scanner 或 BufferedReader 使用。

基础用法示例（直接读取字节）：

import java.io.IOException;

public class InputExample {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("请输入一个字符：");

        int data = System.in.read();  // 读取一个字节
        System.out.println("你输入的是：" + (char) data);
        System.out.println("对应的 ASCII 值：" + data);
    }
}

实际开发中更推荐使用 Scanner：
Scanner scanner = new Scanner(System.in); String input = scanner.nextLine();

2. System.out

准输出

提供三种常用输出方法：

`print()`

不换行输出

System.out.print("你好 ");
System.out.print("世界！");
// 输出：你好 世界！

`println()`

换行输出

System.out.println("第一行");
System.out.println("第二行");
// 输出：
// 第一行
// 第二行

`printf()`

格式化输出

支持类似 C 语言的格式化语法，功能强大：

public class FormatOutput {
    public static void main(String[] args) {
        int count = 42;
        double pi = Math.PI;

        System.out.printf("数量：%d%n", count);                // %d 整数
        System.out.printf("圆周率：%.2f%n", pi);              // %.2f 保留两位小数
        System.out.printf("右对齐：%10.2f%n", pi);            // 总宽度 10，右对齐
        System.out.printf("姓名：%s，年龄：%d%n", "张三", 25);   // 多参数格式化
    }
}

输出：

数量：42
圆周率：3.14
右对齐：      3.14
姓名：张三，年龄：25

%n 是 Java 推荐的跨平台换行符（等价于 \n 在 Linux/macOS，\r\n 在 Windows）

3. System.err

标准错误输出

用法与 System.out 完全一致，但用于输出错误信息，便于日志分离或重定向。

public class ErrorOutput {
    public static void main(String[] args) {
        System.err.println("发生了一个严重错误！");
        System.err.printf("错误代码：%d - %s%n", 500, "服务器内部错误");
    }
}

在命令行中，可通过 2> 将错误流重定向到文件：
java ErrorOutput 2> error.log

流的分类

按方向分类

类型	说明	常见类
输入流	从源读取数据	`FileInputStream`, `BufferedInputStream`
输出流	向目标写入数据	`FileOutputStream`, `BufferedOutputStream`

按数据类型分类

字节流

处理 8 位字节（byte）
适用于二进制数据（图片、视频、压缩包等）
核心抽象类：InputStream / OutputStream

常用字节流类：

类	用途
`FileInputStream` / `FileOutputStream`	读写文件
`BufferedInputStream` / `BufferedOutputStream`	带缓冲，提升性能
`DataInputStream` / `DataOutputStream`	读写基本数据类型（int, double 等）
`PrintStream`	支持 `print()` / `println()`

示例：使用字节流复制文件

import java.io.*;

public class FileCopyByte {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try (FileInputStream in = new FileInputStream("source.txt");
             FileOutputStream out = new FileOutputStream("copy.txt")) {

            int byteRead;
            while ((byteRead = in.read()) != -1) {
                out.write(byteRead);
            }
        } // 自动关闭资源（try-with-resources）
    }
}

推荐使用 try-with-resources 语法自动关闭流，避免资源泄漏

字符流

处理 16 位 Unicode 字符
适用于文本数据，自动处理字符编码（如 UTF-8）
核心抽象类：Reader / Writer

常用字符流类：

类	用途
`FileReader` / `FileWriter`	读写文本文件
`BufferedReader` / `BufferedWriter`	带缓冲的字符流
`InputStreamReader` / `OutputStreamWriter`	在字节流与字符流之间转换
`PrintWriter`	支持格式化文本输出

示例：逐字符读取文本文件

import java.io.*;

public class ReadTextFile {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try (FileReader reader = new FileReader("test.txt")) {
            int ch;
            while ((ch = reader.read()) != -1) {
                System.out.print((char) ch);
            }
        }
    }
}

更高效的方式是使用 BufferedReader 按行读取：

BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("test.txt"));
String line;
while ((line = br.readLine()) != null) {
    System.out.println(line);
}

字节流 vs 字符流

场景	推荐流类型
读写图片、音频、视频、ZIP 文件等	字节流
读写 `.txt`、`.csv`、`.log` 等文本文件	字符流
需要处理中文或其他非 ASCII 文本	字符流（避免乱码）
网络传输原始数据	字节流

重点总结

Java I/O 分为字节流和字符流，分别用于二进制和文本数据
System.in/out/err 是三大标准流，日常调试和交互必备
printf() 提供强大的格式化输出能力
文件操作应优先使用 try-with-resources 确保资源释放
文本处理优先选择字符流（如 FileReader + BufferedReader），避免编码问题

思考题

为什么读取包含中文的文本文件时，使用 FileInputStream 可能出现乱码？而 FileReader 不会？
BufferedInputStream 和 BufferedReader 的“缓冲”机制是如何提升 I/O 性能的？
如果需要将一个大文件（如 1GB 视频）从磁盘复制到另一个位置，使用单字节读写（read()/write()）效率很低，应如何优化？