背景
java nio中文件读写不管是普通文件读写,还是基于mmap实现零拷贝,都离不开FileChannel这个类。
随便打开RocketMQ 源码搜索FileChannel。
就可以看到使用频率。
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kafka也是。
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所以在java中文件读写FileChannel尤为重用。
java文件读写全流程
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这里说的仅仅是FileChannel基于堆内存(HeapByteBuffer)的文件读写。
如果是mmap或者堆外内存,可能有些步骤会省略,相当于有一些优化。
- FileChannel调用read,将HeapByteBuffer拷贝到DirectByteBuffer。
- JVM在native层使用read系统调用进行文件读取, 这里需要进行上下文切换,从用户态进入内核态。
- JVM 进程进入虚拟文件系统层,查看文件数据再page cache是否缓存,如果有则直接从page cache读取并返回到DirectByteBuffer。
- 如果请求文件数据不在page caceh,则进入文件系统。通过块驱动设备进行真正的IO,并进行文件预读,比如读取的文件可能只有1-10,但是会将1-20都读取。
- 磁盘控制器DMA将磁盘中的数据拷贝到page cache中。这里发生了一次数据拷贝(非CPU拷贝)。
- CPU将page cache数据拷贝到DirectByteBuffer,因为page cache属于内核空间,JVM进程无法直接寻址。这里是发生第二次数据拷贝。
- JVM进程从内核态切换回用户态,这里如果使用的是堆内存(HeapByteBuffer),实际还需要将堆外内存DirectByteBuffer拷贝到堆内存(HeapByteBuffer)。
FileChannel读写文件(非MMAP)
public static void main(String[] args) {
String filename = "小奏技术.txt";
String content = "Hello, 小奏技术.";
// 写入文件
writeFile(filename, content);
// 读取文件
System.out.println("Reading from file:");
readFile(filename);
}
public static void writeFile(String filename, String content) {
// 创建文件对象
File file = new File(filename);
// 确保文件存在
if (!file.exists()) {
try {
boolean created = file.createNewFile();
if (!created) {
System.err.println("Unable to create file: " + filename);
return;
}
} catch (Exception e) {
System.err.println("An error occurred while creating the file: " + e.getMessage());
return;
}
}
// 使用FileChannel写入文件
try (RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(file, "rw");
FileChannel fileChannel = randomAccessFile.getChannel()) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(content.getBytes().length);
buffer.put(content.getBytes());
buffer.flip(); // 切换到读模式
while (buffer.hasRemaining()) {
fileChannel.write(buffer);
}
} catch (Exception e) {
System.err.println("An error occurred while writing to the file: " + e.getMessage());
}
}
public static void readFile(String filename) {
// 使用FileChannel读取文件
try (RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(filename, "r");
FileChannel fileChannel = randomAccessFile.getChannel()) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate((int) fileChannel.size());
while (fileChannel.read(buffer) > 0) {
// Do nothing, just read
}
// 切换到读模式
buffer.flip();
/* while (buffer.hasRemaining()) {
System.out.print((char) buffer.get());
}*/
Charset charset = StandardCharsets.UTF_8;
String fileContent = charset.decode(buffer).toString();
System.out.print(fileContent);
} catch (Exception e) {
System.err.println("An error occurred while reading the file: " + e.getMessage());
}
}
这里需要注意的一个细节 我们分配的内存的方式是:
ByteBuffer.allocate()
这里我们可以进入看看源码:
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实际构造的是HeapByteBuffer,也就是JVM的堆内存。
如果我们使用:
ByteBuffer.allocateDirect()
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则构造的是堆外内存DirectByteBuffer。
HeapByteBuffer和DirectByteBuffer文件读写区别
我们看看FileChannel read方法:
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发现IO相关的处理被封装在IOUtil,我们继续看看IOUtil的write方法:
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可以看到如果是DirectBuffer则可以直接写。如果是HeapByteBuffer则需要转换为DirectByteBuffer。
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为什么要在DirectByteBuffer做一层转换
主要是HeapByteBuffer受JVM管理,也就是会受到GC影响。如果在进行native调用的时候发生了GC,会导致HeapByteBuffer的内容出现错误。具体详细的说明可以看看这篇MappedByteBuffer VS FileChannel:从内核层面对比两者的性能差异。讲解的非常清晰。
参考
- MappedByteBuffer VS FileChannel:从内核层面对比两者的性能差异