I/O 与 NIO 文件处理

学习目标

能按数据类型、文件大小和访问方式选择传统流或 NIO API。
能读懂 Path、Files、Stream、Buffer 与 Channel 的职责边界。
能把文件资源放进 try-with-resources，并明确字符集、异常和路径安全问题。

核心知识点

专业术语

I/O（Input/Output）：程序与文件、网络或其他设备交换数据的过程。
Stream：按顺序读写字节或字符的抽象，适合直接消费数据。
NIO（New I/O）：以 Path、Files、Channel 和 Buffer 为中心的一组 API。
Charset：字节与字符之间的编码规则，例如 UTF-8。

白话解释与边界

小文本可以用 Files.readString 一次读完；大文件、二进制文件或持续数据要使用缓冲、分块或流式处理。Reader/Writer 负责字符，InputStream/OutputStream 负责字节，不能只因为“内容看起来是文字”就忽略编码。现代文件代码优先使用 Path/Files，只有维护旧接口时才回到 java.io.File。

常用用法

`Path.of`：构造文件系统路径

需要用多个路径片段构造与操作系统分隔符兼容的文件路径时使用 Path.of。

java

// 说明：Path.of：构造文件系统路径。
import java.nio.file.Path;

Path path = Path.of("docs", "guide.txt");
System.out.println(path.getFileName());
// 输出：guide.txt

`Files.writeString`：写入短文本文件

需要一次写入能够放进内存的短文本时使用 Files.writeString，并应显式选择业务所需字符集。

java

// 说明：Files.writeString：写入短文本文件。
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.nio.file.Files;

var file = Files.createTempFile("java-io-", ".txt");
Files.writeString(file, "java api", StandardCharsets.UTF_8);
// 关键变化：Files.writeString(file, "java api", StandardCharsets.UTF_8);；将 "java api"，字符集为 StandardCharsets.UTF_8 写入路径 file；writeString 返回目标 Path，文件内容更新。
System.out.println(Files.size(file) > 0);
// 输出：true
Files.deleteIfExists(file);
// 关键变化：Files.deleteIfExists(file);；删除路径 file；路径存在时返回 true，不存在时返回 false；文件系统状态更新。

`Files.lines`：按行流式读取文本

需要按行处理文本或避免一次载入整个文件时使用 Files.lines，并用 try-with-resources 关闭返回的流。

java

// 说明：Files.lines：按行流式读取文本。
import java.nio.file.Files;

var file = Files.createTempFile("java-lines-", ".txt");
Files.writeString(file, "java\napi\n");
// 关键变化：Files.writeString(file, "java\napi\n");；将 "java\napi\n" 写入路径 file；writeString 返回目标 Path，文件内容更新。
try (var lines = Files.lines(file)) {
// 输入：try (var lines = Files.lines(file)) {；资源变量 lines 接收 Files.lines(file)，try 结束时自动关闭。
// 关键变化：try (var lines = Files.lines(file)) {；创建资源 lines，构造表达式为 Files.lines(file)；try 结束时关闭该资源。
    System.out.println(lines.count());
    // 输出：2
}
Files.deleteIfExists(file);
// 关键变化：Files.deleteIfExists(file);；删除路径 file；路径存在时返回 true，不存在时返回 false；文件系统状态更新。

完整 API 见 Path 与 Files 常用 API。

字节、字符与缓冲层的组合

二进制协议从 InputStream/OutputStream 开始，文本再叠加 Charset 和 Reader/Writer；缓冲层只改善访问方式，不会替你修正错误编码。

java

// 说明：字节、字符与缓冲层的组合。
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Path;

public class IoLayerChoiceDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Path file = Files.createTempFile("java-text-", ".txt");
        Files.writeString(file, "你好", StandardCharsets.UTF_8);
        // 关键变化：Files.writeString(file, "你好", StandardCharsets.UTF_8);；将 "你好"，字符集为 StandardCharsets.UTF_8 写入路径 file；writeString 返回目标 Path，文件内容更新。
        try (BufferedReader reader = Files.newBufferedReader(file, StandardCharsets.UTF_8)) {
        // 输入：try (BufferedReader reader = Files.newBufferedReader(file, StandardCharsets.UTF_8)) {；资源变量 reader 接收 Files.newBufferedReader(file, StandardCharsets.UTF_8)，try 结束时自动关闭。
        // 关键变化：try (BufferedReader reader = Files.newBufferedReader(file, StandardCharsets.UTF_8)) {；创建资源 reader，构造表达式为 Files.newBufferedReader(file, StandardCharsets.UTF_8)；try 结束时关闭该资源。
            System.out.println(reader.readLine());
            // 输出：你好
        }
        Files.deleteIfExists(file);
        // 关键变化：Files.deleteIfExists(file);；删除路径 file；路径存在时返回 true，不存在时返回 false；文件系统状态更新。
    }
}

详见字节流、字符流与缓冲。

`ByteBuffer`：承载分块读写的数据

需要为 NIO 分块读写准备内存区域时使用 ByteBuffer，写入数据后必须调用 flip() 才能按有效范围读取。

java

// 说明：ByteBuffer：承载分块读写的数据。
import java.nio.ByteBuffer;

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
buffer.put((byte) 7).put((byte) 8);
// 关键变化：buffer.put((byte) 7).put((byte) 8);；依次写入字节 7 和 8，两个 put 都返回同一 ByteBuffer；position 前进到 2。
buffer.flip();
// 关键变化：buffer.flip();；调用 flip，实参为 无显式参数；将 buffer 切换到读模式，position 置 0、limit 设为此前写入长度；缓冲状态更新。
System.out.println(buffer.get() + ", " + buffer.get());
// 输出：7, 8

`FileChannel`：在文件与缓冲区之间交换数据

需要通过 NIO 通道分块读取文件时使用 FileChannel，并在资源边界关闭通道和处理未读完的数据。

java

// 说明：FileChannel：在文件与缓冲区之间交换数据。
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.StandardOpenOption;

var file = Files.createTempFile("java-channel-", ".txt");
Files.writeString(file, "OK");
// 关键变化：Files.writeString(file, "OK");；将 "OK" 写入路径 file；writeString 返回目标 Path，文件内容更新。
try (FileChannel channel = FileChannel.open(file, StandardOpenOption.READ)) {
// 输入：try (FileChannel channel = FileChannel.open(file, StandardOpenOption.READ)) {；资源变量 channel 接收 FileChannel.open(file, StandardOpenOption.READ)，try 结束时自动关闭。
// 关键变化：try (FileChannel channel = FileChannel.open(file, StandardOpenOption.READ)) {；创建资源 channel，构造表达式为 FileChannel.open(file, StandardOpenOption.READ)；try 结束时关闭该资源。
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(2);
    System.out.println(channel.read(buffer));
    // 输出：2
}
Files.deleteIfExists(file);
// 关键变化：Files.deleteIfExists(file);；删除路径 file；路径存在时返回 true，不存在时返回 false；文件系统状态更新。

需要控制 position、limit 和零拷贝传输时阅读 NIO Buffer 与 Channel。

不常用但需要知道

`File.toPath`：转换到 Path API

File 仍存在于旧库和旧签名中，但它的异常、属性和符号链接表达能力较弱；新代码从 Path 开始，需要兼容旧 API 时用 toPath() 或 toFile() 做边界转换。

java

// 说明：legacy 指向当前工作目录下的 notes.txt；toPath() 只转换路径表示，不会读取文件字节。
import java.io.File;
import java.nio.file.Path;

public class FilePathBridgeDemo {
    public static void main(String[] args) {
        File legacy = new File("notes.txt");
        Path modern = legacy.toPath();
        System.out.println(modern.getFileName());
        // 输出：notes.txt
    }
}

序列化流的兼容与安全边界

Java 原生序列化带有版本、类加载和反序列化执行风险；不应对不可信输入直接使用 ObjectInputStream，跨服务数据优先选择有明确格式和校验规则的协议。

java

import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;

public class SerializationBoundaryDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
        var bytes = new ByteArrayOutputStream();
        try (var out = new ObjectOutputStream(bytes)) {
        // 输入：try (var out = new ObjectOutputStream(bytes)) {；资源变量 out 接收 new ObjectOutputStream(bytes)，try 结束时自动关闭。
        // 关键变化：try (var out = new ObjectOutputStream(bytes)) {；创建资源 out，构造表达式为 new ObjectOutputStream(bytes)；try 结束时关闭该资源。
            out.writeObject("java");
        }
        try (var in = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bytes.toByteArray()))) {
        // 输入：try (var in = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bytes.toByteArray()))) {；资源变量 in 接收 new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bytes.toByteArray()))，try 结束时自动关闭。
        // 关键变化：try (var in = new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bytes.toByteArray()))) {；创建资源 in，构造表达式为 new ObjectInputStream(new ByteArrayInputStream(bytes.toByteArray()))；try 结束时关闭该资源。
            System.out.println(in.readObject());
            // 输出：java
        }
    }
}

路径规范化与安全检查

normalize() 只消除 . 和 ..，不会访问文件系统，也不会自动解决符号链接目录穿越；处理用户输入时还要结合绝对路径、真实路径和权限检查。网络输入的 HTTP 边界见 HTTP Client 常用 API。

java

import java.nio.file.Path;

public class PathBoundaryDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Path root = Path.of("/srv/data").toAbsolutePath().normalize();
        Path candidate = root.resolve("reports", "2026.txt").normalize();
        System.out.println(candidate.startsWith(root));
        // 输出：true
    }
}

简单案例

java

import java.io.IOException;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Path;

public class IoNioDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Path directory = Files.createTempDirectory("java-io-demo-");
        Path source = directory.resolve("source.txt");
        Path copy = directory.resolve("copy.txt");
        Files.writeString(source, "Java I/O", StandardCharsets.UTF_8);
        // 关键变化：Files.writeString(source, "Java I/O", StandardCharsets.UTF_8);；将 "Java I/O"，字符集为 StandardCharsets.UTF_8 写入路径 source；writeString 返回目标 Path，文件内容更新。
        Files.copy(source, copy);
        // 关键变化：Files.copy(source, copy);；将 source 复制到 copy，返回目标 Path；目标文件更新。
        System.out.println(Files.readString(copy, StandardCharsets.UTF_8));
        // 输出：Java I/O
        Files.deleteIfExists(copy);
        // 关键变化：Files.deleteIfExists(copy);；删除路径 copy；路径存在时返回 true，不存在时返回 false；文件系统状态更新。
        Files.deleteIfExists(source);
        // 关键变化：Files.deleteIfExists(source);；删除路径 source；路径存在时返回 true，不存在时返回 false；文件系统状态更新。
        Files.deleteIfExists(directory);
        // 关键变化：Files.deleteIfExists(directory);；删除路径 directory；路径存在时返回 true，不存在时返回 false；文件系统状态更新。
    }
}

这个流程把路径、写入、复制、读取和清理串起来；生产代码还应处理权限、文件已存在、磁盘空间和清理失败等异常。

易混点

InputStream/OutputStream 是字节层，Reader/Writer 是字符层；编码转换必须显式指定 Charset。
Files.readString 适合小文本，不等于可以把任意大文件一次性装入内存。
Buffer 的 flip() 是“写模式切换到读模式”，不是清空数据；clear() 才是准备重新写入。
TCP/Socket 也是字节流，单次 read 不代表收到一个完整业务消息；网络边界见 Socket 与网络边界。

课后小问

为什么文本文件不能只调用 new String(bytes) 而不指定字符集？答案：默认字符集随运行环境变化，可能导致同一份字节在不同机器上得到不同文本。解析：跨平台读写应显式使用 StandardCharsets.UTF_8 或协议规定的其他字符集。
什么时候选择 Files.lines 而不是 Files.readAllLines？答案：文件较大或只需顺序处理时选择 Files.lines，避免一次性创建完整列表。解析：Files.lines 返回的 Stream 持有文件资源，必须在 try-with-resources 中关闭。

本节小结

先按字节/字符、文件大小和访问方式选择 I/O API。
新文件代码优先使用 Path、Files 和明确 Charset。
Buffer 保存批量数据，Channel 负责数据交换，读写状态要正确切换。
资源关闭、路径安全、编码和异常是文件代码的基本边界。

快速回顾

小文本可以使用 Files.readString，大文件优先流式或分块处理。
字节流不等于字符流，编码必须显式约定。
flip 切换 Buffer 的读写状态，clear 准备重新写入。
文件 API 与网络 API 都要区分数据、资源和协议边界。

I/O 与 NIO 文件处理 ​

学习目标 ​

核心知识点 ​

专业术语 ​

白话解释与边界 ​

常用用法 ​

Path.of：构造文件系统路径 ​

Files.writeString：写入短文本文件 ​

Files.lines：按行流式读取文本 ​

字节、字符与缓冲层的组合 ​

ByteBuffer：承载分块读写的数据 ​

FileChannel：在文件与缓冲区之间交换数据 ​

不常用但需要知道 ​

File.toPath：转换到 Path API ​

序列化流的兼容与安全边界 ​

路径规范化与安全检查 ​

简单案例 ​

易混点 ​

课后小问 ​

本节小结 ​

快速回顾 ​

I/O 与 NIO 文件处理

学习目标

核心知识点

专业术语

白话解释与边界

常用用法

`Path.of`：构造文件系统路径

`Files.writeString`：写入短文本文件

`Files.lines`：按行流式读取文本

字节、字符与缓冲层的组合

`ByteBuffer`：承载分块读写的数据

`FileChannel`：在文件与缓冲区之间交换数据

不常用但需要知道

`File.toPath`：转换到 Path API

序列化流的兼容与安全边界

路径规范化与安全检查

简单案例

易混点

课后小问

本节小结

快速回顾