JAVA NIO之文件通道

创建通道

      FileChannel 是一个用于连接文件的通道，通过该通道，既可以从文件中读取，也可以向文件中写入数据。与SocketChannel 不同，FileChannel 无法设置为非阻塞模式，这意味着它只能运行在阻塞模式下。在使用FileChannel 之前，需要先打开它。由于 FileChannel 是一个抽象类，所以不能通过直接创建而来。必须通过像 InputStream、OutputStream 或 RandomAccessFile 等实例获取一个 FileChannel 实例。

FileInputStream fis = new FileInputStream(FILE_PATH);
FileChannel channel = fis.getChannel();

FileOutputStream fos = new FileOutputStream(FILE_PATH);
FileChannel channel = fis.getChannel();

RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(FILE_PATH , "rw");
FileChannel channel = raf.getChannel();

读写操作

代码会先向文件中写入数据，然后再将写入的数据读出来并打印。代码如下：

// 获取管道
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(FILE_PATH, "rw");
FileChannel rafChannel = raf.getChannel();

// 准备数据
String data = "新数据，时间： " + System.currentTimeMillis();
System.out.println("原数据：\n" + "   " + data);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
buffer.clear();
buffer.put(data.getBytes());
buffer.flip();

// 写入数据
rafChannel.write(buffer);

rafChannel.close();
raf.close();

// 重新打开管道
raf = new RandomAccessFile(FILE_PATH, "rw");
rafChannel = raf.getChannel();

// 读取刚刚写入的数据
buffer.clear();
rafChannel.read(buffer);

// 打印读取出的数据
buffer.flip();
byte[] bytes = new byte[buffer.limit()];
buffer.get(bytes);
System.out.println("读取到的数据：\n" + "   " + new String(bytes));

rafChannel.close();
raf.close();

数据转移操作

需要将一个文件中的内容复制到另一个文件中去，最容易想到的做法是利用传统的 IO 将源文件中的内容读取到内存中，然后再往目标文件中写入。现在，有了 NIO，我们可以利用更方便快捷的方式去完成复制操作。FileChannel 提供了一对数据转移方法 - transferFrom/transferTo，通过使用这两个方法，即可简化文件复制操作。

public static void main(String[] args) throws IOException {
    RandomAccessFile fromFile = new RandomAccessFile("fromFile.txt", "rw");
    FileChannel fromChannel = fromFile.getChannel();
    
    RandomAccessFile toFile = new RandomAccessFile("toFile.txt", "rw");
    FileChannel toChannel = toFile.getChannel();
    
    long position = 0;
    long count = fromChannel.size();
    
    // 将 fromFile 文件找那个的数据转移到 toFile 中去
    System.out.println("before transfer: " + readChannel(toChannel));
    fromChannel.transferTo(position, count, toChannel);
    System.out.println("after transfer : " + readChannel(toChannel));
    
    fromChannel.close();
    fromFile.close();
    toChannel.close();
    toFile.close();
}

private static String readChannel(FileChannel channel) throws IOException {
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32);
    buffer.clear();

    // 将 channel 读取位置设为 0，也就是文件开始位置
    channel.position(0);
    channel.read(buffer);
    
    // 再次将文件位置归零
    channel.position(0);

    buffer.flip();
    byte[] bytes = new byte[buffer.limit()];
    buffer.get(bytes);
    return new String(bytes);
}

可以明显感受到，利用 transferTo 减少了编码量。那么为什么利用 transferTo 可以减少编码量呢？在解答这个问题前，先来说说程序读取数据和写入文件的过程。

我们现在所使用的 PC 操作系统，将内存分为了内核空间和用户空间。操作系统的内核和一些硬件的驱动程序就是运行在内核空间内，而用户空间就是我们自己写的程序所能运行的内存区域。这里，当我们调用 read 从磁盘中读取数据时，内核会首先将数据读取到内核空间中，然后再将数据从内核空间复制到用户空间内。也就是说，我们需要通过内核进行数据中转。同样，写入数据也是如此。系统先从用户空间将数据拷贝到内核空间中，然后再由内核空间向磁盘写入。相关示意图如下：

与上面的数据流向不同，FileChannel 的 transferTo 方法底层基于 sendfile64（Linux 平台下）系统调用实现。sendfile64 会直接在内核空间内进行数据拷贝，免去了内核往用户空间拷贝，用户空间再往内核空间拷贝这两步操作，因此提高了效率。其示意图如下：

通过上面的讲解，大家应该知道了 transferTo 和 transferFrom 的效率会高于传统的 read 和 write 在效率上的区别。区别的原因在于免去了内核空间和用户空间的相互拷贝，虽然内存间拷贝的速度比较快，但涉及到大量的数据拷贝时，相互拷贝的带来的消耗是不应该被忽略的。

讲完了背景知识，咱们再来看看 FileChannel 是怎样调用 sendfile64 这个函数的。相关代码如下：

内存映射

内存映射这个概念源自操作系统，是指将一个文件映射到某一段虚拟内存（物理内存可能不连续）上去。我们通过对这段虚拟内存的读写即可达到对文件的读写的效果，从而可以简化对文件的操作。当然，这只是内存映射的一个优点。内存映射还有其他的一些优点，比如两个进程映射同一个文件，可以实现进程间通信。再比如，C 程序运行时需要 C 标准库支持，操作系统将 C 标准库放到了内存中，普通的 C 程序只需要将 C 标准库映射到自己的进程空间内就行了，从而可以降低内存占用。

 

Unix/Linux 操作系统内存映射的系统调用mmap，Java 在这个系统调用的基础上，封装了 Java 的内存映射方法。

// 从标准输入获取数据
Scanner sc = new Scanner(System.in);
System.out.println("请输入：");
String str = sc.nextLine();
byte[] bytes = str.getBytes();

RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("map.txt", "rw");
FileChannel channel = raf.getChannel();

// 获取内存映射缓冲区，并向缓冲区写入数据
MappedByteBuffer mappedBuffer = channel.map(MapMode.READ_WRITE, 0, bytes.length);
mappedBuffer.put(bytes);

raf.close();
raf.close();

// 再次打开刚刚的文件，读取其中的内容
raf = new RandomAccessFile("map.txt", "rw");
channel = raf.getChannel();
System.out.println("\n文件内容：")
System.out.println(readChannel(channel));

raf.close();
raf.close();

接下来在用 C 代码演示上面代码的功能，如下：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <memory.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int dstfd;
    void *dst;
    char buf[64], out[64];
    int len;
    
    printf("Please input:\n");
    scanf("%s", buf);
    len = strlen(buf);

    // 打开文件
    dstfd = open("dst.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRWXU);
    lseek(dstfd, len - 1, SEEK_SET);
    write(dstfd, "", 1);

    // 将文件映射到内存中
    dst = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, dstfd, 0);

    // 将输入的数据拷贝到映射内存中
    memcpy(dst, buf, len);

    munmap(dst, len);
    close(dstfd);

    // 重新打开文件，并输出文件内容
    dstfd = open("dst.txt", O_RDONLY);
    dst = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_SHARED, dstfd, 0);
    bzero(out, 64);
    memcpy(out, dst, len);
    printf("\nfile content:\n%s\n", out);

    munmap(dst, len);
    close(dstfd);
    return 0;
}

从上面的分析可以看出，NIO FileChannel 在实现上，实际上是对底层操作系统的一些 API 进行了再次封装，也就是一层皮。有了这层封装后，对上就屏蔽了底层 API 的细节，以降低使用难度。Java 为了提高开发效率，屏蔽了操作系统层面的细节。

 

   

参考：

http://www.tianxiaobo.com/2018/03/24/JAVA-NIO%E4%B9%8B%E6%96%87%E4%BB%B6%E9%80%9A%E9%81%93/