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NIO深入理解FileChannel使用方法原理

更新時(shí)間：2023年05月09日 14:00:15 作者：林師傅

這篇文章主要為大家介紹了NIO深入理解FileChannel的源碼示例解析，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進(jìn)步，早日升職加薪

前言

前文我們已經(jīng)了解了NIO的三大核心組件，本篇文章會(huì)詳細(xì)介紹FileChannel中的使用方法和原理。

FileChannel

FileChannel是對(duì)一個(gè)文件讀，寫，映射，操作的Channel。FileChannel是線程安全的，可以被多個(gè)線程并發(fā)使用。同一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)FileChannel看到的同一個(gè)文件的視圖是相同的，由于底層操作系統(tǒng)執(zhí)行的緩存和網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)協(xié)議引起的延遲，不同進(jìn)程中在同一時(shí)間看到的文件視圖可能會(huì)不同。

FileChannel的類圖如下，F(xiàn)ileChannel是一個(gè)抽象類，它的具體實(shí)現(xiàn)是FileChannelImpl。

FileChannel的創(chuàng)建

獲取FileChannel的方式有下面四種

FileChannel.open()

直接調(diào)用FileChannel的open()方法，傳入Path即可獲得FileChannel

// 直接傳入Path默認(rèn)是只讀FileChannel
FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Path.of("./tmp/linshifu.txt"));
// 和直接傳入Path相比，支持傳入OpenOption數(shù)組
FileChannel channel = FileChannel.open(Path.of("./tmp/linshifu.txt"), StandardOpenOption.WRITE);

OpenOption是一個(gè)空接口，我們可以傳入StandardOpenOption枚舉，StandardOpenOption有如下值

public enum StandardOpenOption implements OpenOption {
    // 可讀Channel
    READ,
    // 可寫Channel
    WRITE,
    // 如果Channel是可寫(WRITE)的，緩沖中的數(shù)據(jù)會(huì)從文件末尾開(kāi)始寫，而不是從頭開(kāi)始寫
    APPEND,
    // 如果Channel是可寫(WRITE)的，文件的長(zhǎng)度會(huì)被置為0
    TRUNCATE_EXISTING,
    // 如果文件不存在，則會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的文件，如果配置了CREATE，則CREATE_NEW會(huì)失效
    CREATE,
    // 創(chuàng)建換一個(gè)新的文件，如果文件已經(jīng)存在，則會(huì)失敗
    CREATE_NEW,
    // Channel關(guān)閉時(shí)刪除
    DELETE_ON_CLOSE,
    // 稀疏文件
    SPARSE,
    // 要求對(duì)文件內(nèi)容或元數(shù)據(jù)的每次更新都同步寫入基礎(chǔ)存儲(chǔ)設(shè)備。
    SYNC,
    // 要求對(duì)文件內(nèi)容的每次更新都同步寫入基礎(chǔ)存儲(chǔ)設(shè)備。
    DSYNC;
}

FileInputStream.getChannel()

通過(guò)FileInputStream的getChannel()方法獲取FileChannel

FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("./tmp/linshifu.txt");
FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();

FileInputStream創(chuàng)建的FileChannel不可寫，只能讀

FileOutputStream.getChannel()

通過(guò)FileOutputStream的getChannel()方法獲取FileChannel

FileOutputStream fileInputStream = new FileOutputStream("./tmp/linshifu.txt");
FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();

FileOutputStream創(chuàng)建FileChannel不可讀，只能寫

RandomAccessFile.getChannel()

通過(guò)RandomAccessFile的getChannel()方法獲取FileChannel

RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("./tmp/linshifu.txt", "rw");
FileChannel fileChannel = file.getChannel();

RandomAccessFile中的模式

與OutputStream和InputStream不同的是創(chuàng)建RandomAccessFile需要傳入模式，RandomAccessFile的模式也會(huì)影響到FileChannel，創(chuàng)建RandomAccessFile可以傳入的模式有下面4種

r

只讀模式，創(chuàng)建的RandomAccessFile只能讀，如果使用只讀的RandomAccessFile創(chuàng)建的FileChannel寫數(shù)據(jù)會(huì)拋出NonWritableChannelException

rw

讀寫模式，創(chuàng)建的RandomAccessFile即可讀，也可寫

rws

與rw一樣，打開(kāi)以進(jìn)行讀取和寫入，并且還要求對(duì)文件內(nèi)容或元數(shù)據(jù)的每次更新同步寫入基礎(chǔ)存儲(chǔ)設(shè)備

rwd

與rw一樣，打開(kāi)以進(jìn)行讀取和寫入，并且還要求對(duì)文件內(nèi)容的每次更新都同步寫入底層存儲(chǔ)設(shè)備

FileChannel操作文件

讀文件操作

讀文件的方法有如下三個(gè)

// 從position位置讀取ByteBuffer.capacity個(gè)byte，Channel的position向后移動(dòng)capacity個(gè)位置
public abstract int read(ByteBuffer dst) throws IOException;
// 從傳入的position開(kāi)始讀取ByteBuffer.capacity個(gè)byte，Channel的positon位置不變
public abstract int read(ByteBuffer dst, long position) throws IOException;
// 按順序讀取文件到ByteBuffer數(shù)組中，會(huì)將數(shù)據(jù)讀取到ByteBuffer數(shù)組的[offset,offset+length)的ByteBuf子數(shù)組中
public abstract long read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length) throws IOException;

我們準(zhǔn)備一個(gè)

寫一個(gè)demo

寫文件操作

// 從position開(kāi)始寫入ByteBuffer中的數(shù)據(jù)
public abstract int write(ByteBuffer src) throws IOException;
// 從position開(kāi)始將ByteBuffer數(shù)組的[offset,offset+length)的ByteBuf子數(shù)組中的數(shù)據(jù)寫入文件
public abstract long write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length) throws IOException;
// 從position開(kāi)始將ByteBuffer數(shù)組中的數(shù)據(jù)寫入文件
public final long write(ByteBuffer[] srcs) throws IOException {
    return write(srcs, 0, srcs.length);
}

寫一個(gè)Demo

對(duì)文件的更新強(qiáng)制輸出到底層存儲(chǔ)設(shè)備

這種方式可以確保在系統(tǒng)崩缺時(shí)不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，參數(shù)中的boolean表示刷盤時(shí)是否將文件元數(shù)據(jù)也同時(shí)寫到磁盤上。

public abstract void force(boolean metaData) throws IOException;

通道之間數(shù)據(jù)傳輸

如果需要將FileChannel的數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)搅硪粋€(gè)Channel，可以使用transferTo和transFrom

// 將字節(jié)從此通道的文件傳輸?shù)浇o定的可寫字節(jié)通道
public abstract long transferTo(long position, long count,WritableByteChannel target) throws IOException;
// 將字節(jié)從給定的可讀字節(jié)通道傳輸?shù)酱送ǖ赖奈募?
public abstract long transferFrom(ReadableByteChannel src,long position, long count) throws IOException;

通常情況下我們要將一個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳到另一個(gè)通道。例如，從一個(gè)文件讀取數(shù)據(jù)通過(guò)socket通道進(jìn)行發(fā)送。比如通過(guò)http協(xié)議讀取服務(wù)器上的一個(gè)靜態(tài)文件，要經(jīng)過(guò)下面幾個(gè)階段

將文件從硬盤拷貝到頁(yè)緩沖區(qū)
從頁(yè)緩沖區(qū)讀拷貝到用戶緩沖區(qū)
用戶緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到socket內(nèi)核緩沖區(qū)，最終再將socket內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到網(wǎng)卡中

當(dāng)我們通過(guò)transferTo或者transferFrom在通道之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，如果內(nèi)核支持，則會(huì)使用零拷貝的方式傳輸數(shù)據(jù)

零拷貝技術(shù)可以避免將數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間中

MappedByteBuffer

MappedByteBuffer是NIO中應(yīng)對(duì)的操作大文件的方式，它的讀寫性能極高，它是一種基于mmap的零拷貝方案，通常情況下可以映射出整個(gè)文件，如果文件比較大，也支持分段映射。這其初聽(tīng)起來(lái)似乎不過(guò)就是將整個(gè)文件讀到內(nèi)存中，但是事實(shí)上并不是這樣。一般來(lái)說(shuō)，只有文件中實(shí)際讀取或者寫入的部分才會(huì)映射到內(nèi)存中。

mmap通過(guò)內(nèi)存映射，將文件映射到內(nèi)核緩沖區(qū)，同時(shí)，用戶空間可以共享內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)。這樣在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，就可以減少內(nèi)核空間到用戶空間的拷貝次數(shù)。mmap需要4次上下文切換，3次數(shù)據(jù)拷貝。

MappedByteBuffer使用的是虛擬內(nèi)存，因此分配(map)的內(nèi)存大小不受JVM的-Xmx參數(shù)限制。

MappedByteBuffer使用的方式也比較簡(jiǎn)單，首先我們準(zhǔn)備一個(gè)文件，文件內(nèi)容如下所示，文件大小34B

我們利用MappedByteBuffer寫一段代碼，將上面文件的第一個(gè)字符改成a，代碼如下

public static void main(String[] args) throws Exception {
    RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("./tmp/01.txt", "rw");
    MappedByteBuffer mbf = file.getChannel().map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);
    mbf.put(0, (byte) 'a');
    file.close();
}

執(zhí)行完上面代碼之后，這個(gè)文件的第一個(gè)字符確實(shí)被改成了a，但是在文字的末尾也多了很多奇怪的符號(hào)

再次查看文件，發(fā)現(xiàn)文件大小變?yōu)榱?KB，我們?cè)谶M(jìn)行文件映射時(shí)應(yīng)當(dāng)注意文件的position和size不應(yīng)當(dāng)超出文件的范圍，否則可能導(dǎo)致"文件空洞"，磁盤上物理文件中寫入數(shù)據(jù)間產(chǎn)生間隙。