摘要
Java I/O是Java技术体系中非常基础的部分，它是学习Java NIO的基础。而深入理解Java NIO则是学习现代高性能网络通信框架（比如Netty）的基础。本文试图从设计者的角度去理解Java I/O流，从Java I/O的最初概念输入流/输出流开始，通过使用面向对象的各种扩展技术（继承、设计模式等等）逐渐展开对整个Java I/O的介绍，最后通过介绍第三方开源框架对Java I/O的扩展来结束本文。通过阅读本文，希望大家可以对整个Java I/O体系有一个整体的认识，可以从概念上而不是细节上对Java I/O的技术体系进行推导，知道Java I/O是什么，又能进一步知道为什么是这样而不是其他什么样。本文不会涉及具体的代码细节，如果对Java I/O体系的代码细节感兴趣，可以阅读JDK源代码。
1、基本概念
任何软件框架或者技术体系，回归到最初，一定有几个最基本的概念在支撑它的发展。Java I/O最基本的概念就是输入流和输出流，也就是InputStream和OutputStream。
InputStream
最基本的字节输入流，抽象类，定义了读取原始字节的所有基本方法
1.1.1、public abstract int read() 读取一个字节的方法，最基础的方法
1.1.2、public int read(byte b[], int off, int len) 读取指定长度的字节到字节数组，基于方法1.1.1
1.1.3、public int read(byte b[]) 读取一个数组那么多的字节，基于 方法1.1.2
1.1.4、public long skip(long n) 跳过一定字节数，用到的比较少
1.1.5、public int available() 返回可以读取的最少字节数，用到的比较少
1.1.6、mark(int readlimit)、void reset()和markSupported()这三个方法，并不是每个子类都支持，这里设计得不合理，完全可以把这三个方法迁移到一个新的接口中去。
1.1.7、public void close() 关闭输入流
OutputStream
最基本的字节输出流，抽象类，定义了写入原始字节的所有基本方法
1.2.1、public abstract void write(int b) 写入一个字节，最基础的方法
1.2.2、public void write(byte b[], int off, int len)将一个字节数组中的部分字节写入，基于基本方法1.2.1
1.2.3、public void write(byte b[]) 将一个字节数组写入，基于方法1.2.2
1.2.4、public void close() 关闭输出流
1.2.5、public void flush() 刷新输出流，由于操作系统会存在写入缓冲机制，也就是说，当我们调用write的时候，一般操作系统会把我们要写入的字节缓冲到缓冲区，然后在某个时间点一起刷新到本地磁盘，如果我们想要强制刷新，则需要调用这个方法。
小结
InputStream和OutputStream定义了I/O领域最基础的行为，也就是读取和写入一个字节，同时使用了模板方法将读取和写入的行为进行了适当扩展。
2、扩展点一：对I/O流的继承
InputStream和OutputStream都是抽象类，它们仅仅定义了I/O领域最基础的方法，但不涉及具体实现。针对不同的数据来源，InputStream和OutputStream存在三种实现：一种是基于内存的ByteArrayInputStream/ByteArrayOutputStream，一种是基于磁盘文件的FileInputStream/FileOutputStream，还有一种是基于网络的SocketInputStream/SocketOutputStream。
FileInputStream/FileOutputStream
读取写入的源是操作系统的文件FileInputStream使用native方法进行底层文件的读取
private native int read0()
所有其他的read方法最终都是基于这个本地方法实现。
FileOutputStream使用native方法进行底层文件的写入
private native void writeBytes(byte b[], int off, int len, boolean append)
所有其他的write方法都是基于这个本地方法实现。
ByteArrayInputStream/ByteArrayOutputStream
读取写入的源是内存的一个数组，用的比较少。
SocketInputStream/SocketOutputStream
SocketInputStream使用 private native int socketRead0(FileDescriptor fd,byte b[], int off, int len,int timeout)这个native方法读取远程服务器的数据流。所有read方法都是基于这个本地方法实现的。 SocketOutputStream 使用private native void socketWrite0(FileDescriptor fd, byte[] b, int off,int len)这个native方法来进行远程数据流的写入，所有的write方法都是基于这个方法实现的。
小结
InputStream和OutputStream是对流的抽象，不同的具体流通过继承去实现，对于Java本地平台，最基本的就是基于文件系统的流，当涉及到远程系统，就会出现网络流，基于内存的流一般不会用到。
3、扩展点二：对IO流行为的扩展
装饰模式可以对一个类的行为进行扩展，并且不改变它的接口，Java通过FilterInputStream/FilterOutputStream实现了装饰模式。
责任链模式则是定义统一的接口，然后通过多个实现该接口的子类串行协作完成一项复杂的功能。Java通过将多个FilterInputStream/FilterOutputStream的子类串联起来实现了责任链模式。
FilterInputStream/FilterOutputStream
FilterInputStream本身不实现输入流的功能，而是通过构造函数传入另一个InputStream的子类，把输入流的功能交给它做。通过继承FilterInputStream可以对输入输出流的行为进行扩展，这是装饰模式的典型用法。通过多个装饰类实现责任链模式，它将对一个输入流的不同处理分散到不同的FilterInputStream中去。FilterOutputStream和FilterInputStream的原理一样。
BufferedInputStream/BufferedOutputStream
继承了FilterInputStream，实现了输入流处理中的缓冲的功能。底层的流会先被读取到一个字节数组中，用户使用BufferedInputStream读取数据的时候，会先读取字节数组中的数据，读完了才会调用底层的流进行进一步的读取。这种方法可以提升读取的性能。继承了FilterOutputStream，实现了输出流处理中的缓冲功能。当用户写入数据的时候，其实是先写入到BufferedOutputStream的一个字节数组中，当这个字节数组满了，才会真正调用底层的输出流执行输出动作。这种方法可以提升写入的性能。在使用BufferedOutputStream的写入功能时，一定要使用flush，因为缓冲数组不满的时候是不会写入底层流的，在写入最后一点数据的时候，缓冲数据不一定被填满，这时候就需要调用flush进行强制刷新。
PrintStream
继承FilterOutputStream，这个类的print和println方法可以把java的一些基本类型数据转换成字节写入到底层输出流，但是PrintStream对String的转换是平台相关的，不同的平台会有不同的编码，所以写入到底层的字节也不同，因此PrintStream只适合于测试输出，不适合于一般的I/O操作，特别是网络流。
DataInputStream/DataOutputStream
这两个类继承了FilterInputStream/FilterOutputStream，用来实现将java基本类型转换成二进制来进行读写操作，这两个类的readUTF和writeUTF方法使用了一种特殊的UTF编解码方式，只能用于java程序，因此不建议在网络流或者跨平台的应用中使用者两个类
PushbackInputStream
继承了FilterInputStream，提供了一种回退的机制，可以实现unread，本质是使用缓冲数组实现了，也就是说，回退的范围是有限的。
小结
Java I/O设计者通过装饰模式和责任链模式扩展了I/O的行为，实现这种扩展的基石是FilterOutputStream和FilterInputStream。也正是因为这两种设计模式，让我们写的Java I/O代码变成了下面这样的：
InputStream in = new GZIPInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream("1.txt")));
最里面的FileInputStream是真正的数据来源，而BufferedInputStream和GZIPInputStream都继承了FilterInputStream对I/O的行为进行了改变。
