‌C# I/O 核心用法

在 C# 中，输入输出（I/O）操作是处理文件、目录、流等数据交互的核心功能。本文将从基础到高级，系统讲解 C# 中文件 I/O 的实现方式、最佳实践及常见场景解决方案。

一、核心类与命名空间‌

1‌、System.IO 命名空间‌，包含以下关键类：

• File：静态方法实现文件的创建、读写、删除等。
• Directory：操作目录（创建、遍历、删除）。
• Path：安全处理文件路径（跨平台兼容）。
• FileStream：提供字节级别的文件读写。
• StreamReader/StreamWriter：封装流，支持文本编码处理。
• FileInfo/DirectoryInfo：实例方法操作文件或目录属性。

2、其他相关命名空间‌

• System.IO.Compression：处理 ZIP 压缩文件（如 ZipFile 类）。
• System.Text.Encoding：定义文本编码（如 UTF-8、GB2312）。

‌二、文件读写操作‌

‌1. 文本文件读写‌

• ‌快速读写（适合小文件）‌
  使用 File 类的静态方法：

// 读取全部内容
string content = File.ReadAllText("file.txt", Encoding.UTF8);

// 写入内容（覆盖）
File.WriteAllText("file.txt", "Hello World");

// 追加内容
File.AppendAllText("file.txt", "\nNew Line");

• 流式读写（适合大文件或逐行处理）‌
  使用 StreamReader 和 StreamWriter：

// 逐行读取大文件
using (var reader = new StreamReader("largefile.txt"))
{
    string line;
    while ((line = reader.ReadLine()) != null)
    {
        Console.WriteLine(line);
    }
}

// 流式写入
using (var writer = new StreamWriter("output.txt", append: true))
{
    writer.WriteLine("Line 1");
    writer.WriteLine("Line 2");
}

‌2. 二进制文件读写‌
使用 FileStream 直接操作字节：

// 写入二进制数据
byte[] data = new byte[] { 0x01, 0x02, 0x03 };
using (var stream = new FileStream("data.bin", FileMode.Create))
{
    stream.Write(data, 0, data.Length);
}

// 读取二进制数据
byte[] buffer = new byte[1024];
using (var stream = new FileStream("data.bin", FileMode.Open))
{
    int bytesRead = stream.Read(buffer, 0, buffer.Length);
}

‌三、流（Stream）的核心概念‌

‌1. 流的分类‌

• ‌FileStream‌：处理文件流。
• ‌MemoryStream‌：在内存中操作数据。
• ‌NetworkStream‌：网络数据传输（如 TCP/IP）。

‌2. 流的通用操作‌

using (FileStream fs = new FileStream("file.txt", FileMode.Open, FileAccess.Read))
{
    // 设置流位置（支持随机访问）
    fs.Seek(10, SeekOrigin.Begin);

    // 读取字节
    byte[] buffer = new byte[1024];
    int bytesRead = fs.Read(buffer, 0, buffer.Length);
}

‌3. 缓冲区的优化‌

• 通过指定缓冲区大小提升性能：

using (var fs = new FileStream("file.txt", FileMode.Open, FileAccess.Read, FileShare.Read, bufferSize: 4096))
{
    // 更高效的读写操作
}

‌四、异步 I/O 操作‌

• 使用 async/await 避免阻塞主线程：

// 异步读取文件
public async Task<string> ReadFileAsync(string path)
{
    using (var reader = new StreamReader(path))
    {
        return await reader.ReadToEndAsync();
    }
}

// 异步写入文件
public async Task WriteFileAsync(string path, string content)
{
    using (var writer = new StreamWriter(path))
    {
        await writer.WriteAsync(content);
    }
}

‌五、目录与路径操作‌

‌1. 目录管理‌

// 创建目录（自动忽略已存在）
Directory.CreateDirectory(@"C:\data\logs");

// 遍历所有文件
foreach (string file in Directory.EnumerateFiles(@"C:\data", "*.txt", SearchOption.AllDirectories))
{
    Console.WriteLine(file);
}

// 删除目录（递归删除）
Directory.Delete(@"C:\data\logs", recursive: true);

‌2. 安全路径处理‌

// 合并路径（自动处理平台分隔符）
string path = Path.Combine("folder", "sub", "file.txt"); // 输出：folder/sub/file.txt

// 获取文件名或扩展名
string fileName = Path.GetFileName(path);    // file.txt
string ext = Path.GetExtension(path);        // .txt

‌六、异常处理与调试‌

‌1. 常见异常类型‌

‌2. 健壮的异常处理‌

try
{
    string content = File.ReadAllText("config.json");
}
catch (FileNotFoundException ex)
{
    Console.WriteLine($"文件未找到: {ex.Message}");
}
catch (IOException ex)
{
    Console.WriteLine($"IO错误: {ex.Message}");
}
finally
{
    // 清理资源（如关闭数据库连接）
}

‌七、性能优化与最佳实践‌

‌1. 大文件处理‌

• 使用流式读写‌：避免一次性加载大文件到内存。
• ‌设置缓冲区大小‌：通过 FileStream 的 bufferSize 参数优化读写速度。

‌2. 安全性‌

• ‌验证用户输入路径‌：防止路径遍历攻击（如 …/…/…/）。

string userInput = "userfile.txt";
string safePath = Path.Combine(AppDomain.CurrentDomain.BaseDirectory, userInput);

• ‌限制文件访问权限‌：使用 File.GetAccessControl 管理 ACL。

‌3. 资源释放‌

• ‌始终使用 using 语句‌：确保流、读写器等资源被及时释放。

using (var stream = new FileStream("file.txt", FileMode.Open))
{
    // 操作流
} // 自动调用 stream.Dispose()

‌八、高级主题‌

‌1. 内存映射文件（Memory-Mapped Files）‌
高效处理超大文件或进程间共享数据：

using (var mmf = MemoryMappedFile.CreateFromFile("hugefile.bin"))
{
    using (var accessor = mmf.CreateViewAccessor())
    {
        // 直接操作内存映射区域
        accessor.Write(0, 123); // 写入整数
        int value = accessor.ReadInt32(0);
    }
}

‌2. 文件监控（FileSystemWatcher）‌
实时监控文件或目录变化：

var watcher = new FileSystemWatcher(@"C:\data");
watcher.Filter = "*.txt";
watcher.EnableRaisingEvents = true;

watcher.Changed += (sender, e) => 
{
    Console.WriteLine($"文件 {e.Name} 被修改！");
};

‌3. 文件压缩与解压‌
使用 System.IO.Compression 处理 ZIP 文件：

// 创建 ZIP 文件
ZipFile.CreateFromDirectory(@"C:\data", @"C:\archive.zip");

// 解压 ZIP 文件
ZipFile.ExtractToDirectory(@"C:\archive.zip", @"C:\extracted");

‌九、完整示例：文件加密与解密‌

using System.Security.Cryptography;
using System.Text;

public class FileEncryptor
{
    public static void EncryptFile(string inputFile, string outputFile, string password)
    {
        using (var aes = Aes.Create())
        {
            byte[] key = SHA256.Create().ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(password));
            byte[] iv = aes.IV;

            // 写入 IV 到输出文件
            using (var outputStream = new FileStream(outputFile, FileMode.Create))
            {
                outputStream.Write(iv, 0, iv.Length);

                // 加密数据
                using (var cryptoStream = new CryptoStream(outputStream, aes.CreateEncryptor(key, iv), CryptoStreamMode.Write))
                using (var inputStream = File.OpenRead(inputFile))
                {
                    inputStream.CopyTo(cryptoStream);
                }
            }
        }
    }

    public static void DecryptFile(string inputFile, string outputFile, string password)
    {
        using (var aes = Aes.Create())
        {
            byte[] key = SHA256.Create().ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(password));

            // 读取 IV
            using (var inputStream = new FileStream(inputFile, FileMode.Open))
            {
                byte[] iv = new byte[aes.IV.Length];
                inputStream.Read(iv, 0, iv.Length);

                // 解密数据
                using (var cryptoStream = new CryptoStream(inputStream, aes.CreateDecryptor(key, iv), CryptoStreamMode.Read))
                using (var outputStream = new FileStream(outputFile, FileMode.Create))
                {
                    cryptoStream.CopyTo(outputStream);
                }
            }
        }
    }
}

十、总结‌

1‌、核心原则‌

• 资源管理‌：使用 using 或 try/finally 确保资源释放。
• ‌异常处理‌：捕获特定异常，避免程序崩溃。
• ‌性能优化‌：流式处理大文件，异步避免阻塞。

2‌、适用场景‌

• ‌简单操作‌：优先使用 File 的静态方法。
• ‌复杂控制‌：使用 FileStream 或 MemoryMappedFile。
• ‌跨平台‌：通过 Path.Combine 处理路径分隔符。

掌握这些内容后，可以高效处理各类文件 I/O 需求，并规避常见陷阱。