FileChannel指南

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原文链接：https://www.baeldung.com/java-filechannel

作者：baeldung

译者：Leesen

1.概述

在这篇速学教程中，我们将研究Java NIO库中提供的FileChannel类，讨论如何使用FileChannel和ByteBuffer读写数据，探讨使用FileChannel以及其他文件操作特性的优点。

2.FileChannel的优点

FileChannel的优点包括：

• 在文件特定位置进行读写操作
• 将文件一部分直接加载到内存，这样效率更高
• 以更快的速度将文件数据从一个通道传输到另一个通道
• 锁定文件的某一部分来限制其他线程访问
• 为了避免数据丢失，强制立即将更新写入文件并存储

3.FileChannel读操作

当我们读取一个大文件时，FileChannel比标准I/O执行得更快。需要注意，虽然FileChannel是Java NIO的一部分，但是FileChannel操作是阻塞的，并且没有非阻塞模式。

3.1.使用FileChannel读取文件

先了解如何使用FileChannel读取一个文件，该文件包含:

 Hello world

下面测试读取文件，并检查是否ok:

@Test
public void givenFile_whenReadWithFileChannelUsingRandomAccessFile_thenCorrect() 
  throws IOException {
    try (RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("src/test/resources/test_read.in", "r");
        FileChannel channel = reader.getChannel();
        ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream()) {

        int bufferSize = 1024;
        if (bufferSize > channel.size()) {
           bufferSize = (int) channel.size();
        }
        ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(bufferSize);

        while (channel.read(buff) > 0) {
            out.write(buff.array(), 0, buff.position());
            buff.clear();
        }

     String fileContent = new String(out.toByteArray(), StandardCharsets.UTF_8);

     assertEquals("Hello world", fileContent);
    }
}

这里使用FileChannel、RandomAccessFile和ByteBuffer从文件中读取字节。还应该注意，多个并发线程可以安全地使用FileChannel。但是，每次只允许一个线程执行涉及更新通道位置(channel position)或更改其文件大小的操作。这会阻止其他试图执行类似操作的线程，直到前一个操作完成。
但是，显式提供通道位置的操作可以并发运行且不会被阻塞。

3.2.打开FileChannel

为了使用FileChannel读取文件，我们必须打开它(Open FileChannel)。看看如何使用RandomAccessFile打开FileChannel:

RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile(file, "r");
FileChannel channel = reader.getChannel();

模式“r”表示通道仅为“只读“，注意，关闭RandomAccessFile也将关闭与之关联的通道。
接下来，使用FileInputStream打开一个FileChannel来读取文件:

FileInputStream fin= new FileInputStream(file);
FileChannel channel = fin.getChannel();

同样的，关闭FileInputStream也会关闭与之相关的通道。

3.3.从FileChannel中读取数据

为了读取数据，我们可以使用只读模式。接下来看看如何读取字节序列，我们将使用ByteBuffer来保存数据:

ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(1024);
int noOfBytesRead = channel.read(buff);
String fileContent = new String(buff.array(), StandardCharsets.UTF_8);

assertEquals("Hello world", fileContent);

然后，我们将看到如何从文件某个位置开始读取一个字节序列：

ByteBuffer buff = ByteBuffer.allocate(1024);
int noOfBytesRead = channel.read(buff, 5);
String fileContent = new String(buff.array(), StandardCharsets.UTF_8);
assertEquals("world", fileContent);

我们应该注意：需要使用字符集(Charset)将字节数组解码为字符串
我们指定原始编码字节的字符集。没有它，我们可能会以断章取义的文字结束。特别是像UTF-8和UTF-16这样的多字节编码可能无法解码文件的任意部分，因为一些多字节字符可能是不完整的。

4.FileChannel写操作

4.1.使用FileChannel写入文件

我们来探究下如何使用FileChannel写：

@Test
public void whenWriteWithFileChannelUsingRandomAccessFile_thenCorrect()   
  throws IOException {
    String file = "src/test/resources/test_write_using_filechannel.txt";
    try (RandomAccessFile writer = new RandomAccessFile(file, "rw");
        FileChannel channel = writer.getChannel()){
        ByteBuffer buff = ByteBuffer.wrap("Hello world".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

        channel.write(buff);

     // verify
     RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile(file, "r");
     assertEquals("Hello world", reader.readLine());
     reader.close();
    }
}

4.2.打开FileChannel

要使用FileChannel写入文件，必须先打开它。使用RandomAccessFile打开一个FileChannel:

RandomAccessFile writer = new RandomAccessFile(file, "rw");
FileChannel channel = writer.getChannel();

模式“rw”表示通道为“读写”。
使用FileOutputStream打开FileChannel:

FileOutputStream fout = new FileOutputStream(file);
FileChannel channel = fout.getChannel();

4.3.FileChannel写入数据

使用FileChannel写数据，可以使用其中的某个写方法。
我们来看下如何写一个字节序列，使用ByteBuffer来存储数据:

ByteBuffer buff = ByteBuffer.wrap("Hello world".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
channel.write(buff);

接下来，我们将看到如何从文件某个位置开始写一个字节序列:

ByteBuffer buff = ByteBuffer.wrap("Hello world".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
channel.write(buff, 5);

5.当前位置

FileChannel允许我们获得和改变读或写的位置(position)。获得当前的位置:

long originalPosition = channel.position();

设置位置：

channel.position(5);
assertEquals(originalPosition + 5, channel.position());

6.获取文件大小

使用FileChannel.size方法获取文件大小（以字节为单位）：

@Test
public void whenGetFileSize_thenCorrect() 
  throws IOException {
    RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("src/test/resources/test_read.in", "r");
    FileChannel channel = reader.getChannel();

    // the original file size is 11 bytes.
    assertEquals(11, channel.size());

    channel.close();
    reader.close();
}

7.截断文件

使用FileChannel.truncate方法将文件截断为给定的大小(以字节为单位):

@Test
public void whenTruncateFile_thenCorrect() throws IOException {
    String input = "this is a test input";

    FileOutputStream fout = new FileOutputStream("src/test/resources/test_truncate.txt");
    FileChannel channel = fout.getChannel();

    ByteBuffer buff = ByteBuffer.wrap(input.getBytes());
    channel.write(buff);
    buff.flip();

    channel = channel.truncate(5);
    assertEquals(5, channel.size());

    fout.close();
    channel.close();
}

8.强制更新

由于性能原因，操作系统可能缓存文件更改，如果系统崩溃，数据可能会丢失。要强制文件内容和元数据不断写入磁盘，我们可以使用force方法:

channel.force(true);

仅当文件存储在本地设备上时，才能保证该方法有效。

9.将文件部分加载到内存

使用FileChannel.map方法将文件的部分加载到内存中。使用FileChannel.MapMode.READ_ONLY以只读模式打开文件:

@Test
public void givenFile_whenReadAFileSectionIntoMemoryWithFileChannel_thenCorrect() throws IOException { 
    try (RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("src/test/resources/test_read.in", "r");
        FileChannel channel = reader.getChannel();
        ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream()) {

        MappedByteBuffer buff = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 6, 5);

        if(buff.hasRemaining()) {
          byte[] data = new byte[buff.remaining()];
          buff.get(data);
          assertEquals("world", new String(data, StandardCharsets.UTF_8));  
        }
    }
}

类似地，可以使用FileChannel.MapMode.READ_WRITE以读写模式打开文件。还可以使用FileChannel.MapMode.PRIVATE模式，该模式下，更改不应用于原始文件。

10.锁定文件部分

来看下如何锁定文件某一部分，使用FileChannel.tryLock方法阻止对文件某一部分进行高并发访问。

@Test
public void givenFile_whenWriteAFileUsingLockAFileSectionWithFileChannel_thenCorrect() throws IOException { 
    try (RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("src/test/resources/test_read.in", "rw");
        FileChannel channel = reader.getChannel();
        FileLock fileLock = channel.tryLock(6, 5, Boolean.FALSE )){

        //do other operations...

        assertNotNull(fileLock);
    }
}

tryLock方法尝试获取文件部分(file section)上的锁。如果请求的文件部分已被另一个线程阻塞，它将抛出一个OverlappingFileLockException异常。此方法还接受Boolean参数来请求共享锁或独占锁。
我们应该注意到，有些操作系统可能不允许共享锁，默认情况下是独占锁。

11.FileChannel关闭

最后，当使用FileChannel时，必须关闭它。在示例中，我们使用了try-with-resources。
如果有必要，我们可以直接使用FileChannel.close方法:

channel.close();

12.总结

在本教程中，我们了解了如何使用FileChannel读取和写入文件。此外，我们还研究了如何读取和更改文件大小及其当前读/写位置，并研究了如何在并发应用程序或数据关键应用程序中使用FileChannel。
与往常一样，示例的源代码可以在GitHub上找到。