NIO深入理解FileChannel使用方法原理

2023-05-19 14:14

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前言

前文我们已经了解了NIO的三大核心组件，本篇文章会详细介绍FileChannel中的使用方法和原理。

FileChannel

FileChannel是对一个文件读，写，映射，操作的Channel。FileChannel是线程安全的，可以被多个线程并发使用。同一个进程中的多个FileChannel看到的同一个文件的视图是相同的，由于底层操作系统执行的缓存和网络文件系统协议引起的延迟，不同进程中在同一时间看到的文件视图可能会不同。

FileChannel的类图如下，FileChannel是一个抽象类，它的具体实现是FileChannelImpl。

FileChannel的创建

获取FileChannel的方式有下面四种

FileChannel.open()

直接调用FileChannel的open()方法，传入Path即可获得FileChannel

// 直接传入Path默认是只读FileChannel
FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Path.of("./tmp/linshifu.txt"));
// 和直接传入Path相比，支持传入OpenOption数组
FileChannel channel = FileChannel.open(Path.of("./tmp/linshifu.txt"), StandardOpenOption.WRITE);

OpenOption是一个空接口，我们可以传入StandardOpenOption枚举，StandardOpenOption有如下值

public enum StandardOpenOption implements OpenOption {
    // 可读Channel
    READ,
    // 可写Channel
    WRITE,
    // 如果Channel是可写(WRITE)的，缓冲中的数据会从文件末尾开始写，而不是从头开始写
    APPEND,
    // 如果Channel是可写(WRITE)的，文件的长度会被置为0
    TRUNCATE_EXISTING,
    // 如果文件不存在，则会创建一个新的文件，如果配置了CREATE，则CREATE_NEW会失效
    CREATE,
    // 创建换一个新的文件，如果文件已经存在，则会失败
    CREATE_NEW,
    // Channel关闭时删除
    DELETE_ON_CLOSE,
    // 稀疏文件
    SPARSE,
    // 要求对文件内容或元数据的每次更新都同步写入基础存储设备。
    SYNC,
    // 要求对文件内容的每次更新都同步写入基础存储设备。
    DSYNC;
}

FileInputStream.getChannel()

通过FileInputStream的getChannel()方法获取FileChannel

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

FileInputStream创建的FileChannel不可写，只能读

FileOutputStream.getChannel()

通过FileOutputStream的getChannel()方法获取FileChannel

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

FileOutputStream创建FileChannel不可读，只能写

RandomAccessFile.getChannel()

通过RandomAccessFile的getChannel()方法获取FileChannel

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

RandomAccessFile中的模式

与OutputStream和InputStream不同的是创建RandomAccessFile需要传入模式，RandomAccessFile的模式也会影响到FileChannel，创建RandomAccessFile可以传入的模式有下面4种

只读模式，创建的RandomAccessFile只能读，如果使用只读的RandomAccessFile创建的FileChannel写数据会抛出NonWritableChannelException

rw

读写模式，创建的RandomAccessFile即可读，也可写

rws

与rw一样，打开以进行读取和写入，并且还要求对文件内容或元数据的每次更新同步写入基础存储设备

rwd

与rw一样，打开以进行读取和写入，并且还要求对文件内容的每次更新都同步写入底层存储设备

FileChannel操作文件

读文件操作

读文件的方法有如下三个

// 从position位置读取ByteBuffer.capacity个byte，Channel的position向后移动capacity个位置
public abstract int read(ByteBuffer dst) throws IOException;
// 从传入的position开始读取ByteBuffer.capacity个byte，Channel的positon位置不变
public abstract int read(ByteBuffer dst, long position) throws IOException;
// 按顺序读取文件到ByteBuffer数组中，会将数据读取到ByteBuffer数组的[offset,offset+length)的ByteBuf子数组中
public abstract long read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length) throws IOException;

我们准备一个

写一个demo

写文件操作

// 从position开始写入ByteBuffer中的数据
public abstract int write(ByteBuffer class="lazy" data-src) throws IOException;
// 从position开始将ByteBuffer数组的[offset,offset+length)的ByteBuf子数组中的数据写入文件
public abstract long write(ByteBuffer[] class="lazy" data-srcs, int offset, int length) throws IOException;
// 从position开始将ByteBuffer数组中的数据写入文件
public final long write(ByteBuffer[] class="lazy" data-srcs) throws IOException {
    return write(class="lazy" data-srcs, 0, class="lazy" data-srcs.length);
}

写一个Demo

对文件的更新强制输出到底层存储设备

这种方式可以确保在系统崩缺时不会丢失数据，参数中的boolean表示刷盘时是否将文件元数据也同时写到磁盘上。

public abstract void force(boolean metaData) throws IOException;

通道之间数据传输

如果需要将FileChannel的数据快速传输到另一个Channel，可以使用transferTo和transFrom

// 将字节从此通道的文件传输到给定的可写字节通道
public abstract long transferTo(long position, long count,WritableByteChannel target) throws IOException;
// 将字节从给定的可读字节通道传输到此通道的文件中
public abstract long transferFrom(ReadableByteChannel class="lazy" data-src,long position, long count) throws IOException;

通常情况下我们要将一个通道的数据传到另一个通道。例如，从一个文件读取数据通过socket通道进行发送。比如通过http协议读取服务器上的一个静态文件，要经过下面几个阶段

将文件从硬盘拷贝到页缓冲区
从页缓冲区读拷贝到用户缓冲区
用户缓冲区的数据拷贝到socket内核缓冲区，最终再将socket内核缓冲区的数据拷贝到网卡中

当我们通过transferTo或者transferFrom在通道之间传输数据时，如果内核支持，则会使用零拷贝的方式传输数据

零拷贝技术可以避免将数据拷贝到用户空间中

MappedByteBuffer

MappedByteBuffer是NIO中应对的操作大文件的方式，它的读写性能极高，它是一种基于mmap的零拷贝方案，通常情况下可以映射出整个文件，如果文件比较大，也支持分段映射。这其初听起来似乎不过就是将整个文件读到内存中，但是事实上并不是这样。一般来说，只有文件中实际读取或者写入的部分才会映射到内存中。

mmap通过内存映射，将文件映射到内核缓冲区，同时，用户空间可以共享内核空间的数据。这样在进行网络传输时，就可以减少内核空间到用户空间的拷贝次数。mmap需要4次上下文切换，3次数据拷贝。

MappedByteBuffer使用的是虚拟内存，因此分配(map)的内存大小不受JVM的-Xmx参数限制。

MappedByteBuffer使用的方式也比较简单，首先我们准备一个文件，文件内容如下所示，文件大小34B

我们利用MappedByteBuffer写一段代码，将上面文件的第一个字符改成a，代码如下

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();
}

执行完上面代码之后，这个文件的第一个字符确实被改成了a，但是在文字的末尾也多了很多奇怪的符号