Java Nio FileChannel堆内堆外数据读写全流程分析及使用-51CTO.COM

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