Java Nio FileChannel堆内堆外数据读写全流程分析及使用

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。DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

随便打开RocketMQ 源码搜索FileChannel。DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

就可以看到使用频率。DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

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kafka也是。DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

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所以在java中文件读写FileChannel尤为重用。DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

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。DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

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。DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

1. FileChannel调用read，将HeapByteBuffer拷贝到DirectByteBuffer。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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)。
6. 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。
7. 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：DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

ByteBuffer.allocate()

这里我们可以进入看看源码：DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

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实际构造的是HeapByteBuffer，也就是JVM的堆内存。DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

如果我们使用：DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

ByteBuffer.allocateDirect()

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则构造的是堆外内存DirectByteBuffer。DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

HeapByteBuffer和DirectByteBuffer文件读写区别

我们看看FileChannel read方法：DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

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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：DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

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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。DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

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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。DRk28资讯网——每日最新资讯28at.com

参考

• MappedByteBuffer VS FileChannel：从内核层面对比两者的性能差异 

本文链接：http://www.28at.com/showinfo-26-90858-0.htmlJava Nio FileChannel堆内堆外数据读写全流程分析及使用

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