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Java文件操作与NIO文件通道

2023-04-147.8k 阅读

Java文件操作基础

文件的创建与删除

在Java中，操作文件最基础的就是创建和删除文件。java.io.File类提供了相应的方法来实现这些操作。

首先是创建文件，以下是一个简单的代码示例：

import java.io.File;
import java.io.IOException;

public class FileCreateExample {
    public static void main(String[] args) {
        File file = new File("example.txt");
        try {
            if (file.createNewFile()) {
                System.out.println("文件创建成功！");
            } else {
                System.out.println("文件已存在。");
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件创建失败：" + e.getMessage());
        }
    }
}

在上述代码中，我们实例化了一个File对象，其构造函数接收一个文件名作为参数。然后调用createNewFile()方法来尝试创建文件。如果文件创建成功，该方法返回true；如果文件已存在，则返回false。同时，我们捕获了IOException异常，以处理可能出现的文件操作错误，例如权限不足等问题。

接下来是删除文件的操作，代码如下：

import java.io.File;

public class FileDeleteExample {
    public static void main(String[] args) {
        File file = new File("example.txt");
        if (file.delete()) {
            System.out.println("文件删除成功！");
        } else {
            System.out.println("文件删除失败。");
        }
    }
}

这里同样是先实例化一个File对象，然后调用delete()方法来删除文件。如果文件删除成功，该方法返回true；否则返回false。需要注意的是，如果文件正在被其他程序占用，删除操作可能会失败。

文件的读取与写入

  1. 基于字节流的读取与写入 Java中提供了FileInputStream和FileOutputStream类用于基于字节流的文件读取和写入操作。

读取文件内容的示例代码如下：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class FileReadByteExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("example.txt")) {
            int data;
            while ((data = fis.read()) != -1) {
                System.out.print((char) data);
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件读取失败：" + e.getMessage());
        }
    }
}

在上述代码中，我们使用FileInputStream来读取文件内容。通过read()方法每次读取一个字节的数据，并将其转换为字符输出。当read()方法返回-1时，表示已经到达文件末尾。

写入数据到文件的示例代码如下：

import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;

public class FileWriteByteExample {
    public static void main(String[] args) {
        String content = "这是要写入文件的内容。";
        try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("example.txt")) {
            fos.write(content.getBytes());
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件写入失败：" + e.getMessage());
        }
    }
}

这里我们使用FileOutputStream类的write()方法将字符串转换为字节数组后写入文件。需要注意的是，FileOutputStream在默认情况下会覆盖原文件内容，如果希望追加内容，可以使用带第二个参数true的构造函数，即FileOutputStream("example.txt", true)。

  1. 基于字符流的读取与写入 为了更方便地处理文本文件，Java提供了基于字符流的FileReader和FileWriter类。

读取文本文件的示例代码如下：

import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;

public class FileReadCharExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (FileReader fr = new FileReader("example.txt")) {
            int data;
            while ((data = fr.read()) != -1) {
                System.out.print((char) data);
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件读取失败：" + e.getMessage());
        }
    }
}

与基于字节流的读取类似，FileReader的read()方法每次读取一个字符。

写入文本到文件的示例代码如下：

import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;

public class FileWriteCharExample {
    public static void main(String[] args) {
        String content = "这是通过字符流写入的内容。";
        try (FileWriter fw = new FileWriter("example.txt")) {
            fw.write(content);
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件写入失败：" + e.getMessage());
        }
    }
}

FileWriter的write()方法直接将字符串写入文件，同样，如果需要追加内容，可以使用带第二个参数true的构造函数，即FileWriter("example.txt", true)。

Java NIO文件通道概述

NIO简介

Java NIO（New I/O）是从Java 1.4开始引入的一套新的I/O API，与传统的java.io包相比，它提供了更高效、更灵活的I/O操作方式。NIO的核心组件包括缓冲区（Buffer）、通道（Channel）和选择器（Selector）。

NIO中的缓冲区用于存储数据，通道则是用于在缓冲区和数据源或数据目标之间传输数据的连接。选择器则主要用于实现多路复用I/O，它允许一个线程管理多个通道，从而提高I/O操作的效率，特别是在处理大量连接时。

文件通道的概念

在NIO中，FileChannel是用于文件I/O操作的通道。它提供了比传统java.io包中文件操作类更强大和灵活的功能。FileChannel位于java.nio.channels包中。

与传统的基于流的文件操作不同，FileChannel是基于块（block）的操作方式，它通过缓冲区来传输数据。这使得数据的读写操作可以更加高效，尤其是在处理大数据量时。同时，FileChannel支持异步I/O操作，能够更好地利用系统资源。

FileChannel的使用

打开FileChannel

要使用FileChannel，首先需要打开它。在Java中，可以通过FileInputStream、FileOutputStream或RandomAccessFile的getChannel()方法来获取FileChannel实例。

以下是通过FileInputStream获取FileChannel并读取文件的示例：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class FileChannelReadExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("example.txt");
             FileChannel channel = fis.getChannel()) {
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int bytesRead;
            while ((bytesRead = channel.read(buffer)) != -1) {
                buffer.flip();
                while (buffer.hasRemaining()) {
                    System.out.print((char) buffer.get());
                }
                buffer.clear();
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件读取失败：" + e.getMessage());
        }
    }
}

在上述代码中，我们通过FileInputStream的getChannel()方法获取了FileChannel实例。然后创建了一个ByteBuffer用于存储读取的数据。FileChannel的read()方法将数据读取到ByteBuffer中。在每次读取后，需要调用flip()方法将缓冲区从写模式切换到读模式，以便从缓冲区中读取数据。读取完成后，再调用clear()方法清空缓冲区，准备下一次读取。

通过FileOutputStream获取FileChannel并写入文件的示例如下：

import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class FileChannelWriteExample {
    public static void main(String[] args) {
        String content = "这是通过FileChannel写入的内容。";
        try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("example.txt");
             FileChannel channel = fos.getChannel()) {
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(content.getBytes());
            channel.write(buffer);
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件写入失败：" + e.getMessage());
        }
    }
}

这里通过FileOutputStream的getChannel()方法获取FileChannel。然后使用ByteBuffer.wrap()方法将字符串转换为ByteBuffer，最后通过FileChannel的write()方法将数据写入文件。

定位与移动文件指针

FileChannel提供了方法来定位和移动文件指针，这使得我们可以在文件的任意位置进行读写操作。

position()方法用于获取当前文件指针的位置，position(long pos)方法用于设置文件指针到指定位置。

以下是一个示例，展示如何获取和设置文件指针位置：

import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class FileChannelPositionExample {
    public static void main(String[] args) {
        String content = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
        try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("example.txt");
             FileChannel channel = fos.getChannel()) {
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(content.getBytes());
            channel.write(buffer);

            long currentPosition = channel.position();
            System.out.println("当前文件指针位置：" + currentPosition);

            channel.position(5);
            buffer = ByteBuffer.wrap("XYZ".getBytes());
            channel.write(buffer);

            currentPosition = channel.position();
            System.out.println("修改后文件指针位置：" + currentPosition);
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件操作失败：" + e.getMessage());
        }
    }
}

在上述代码中，首先写入一段内容到文件，然后获取当前文件指针位置并输出。接着将文件指针移动到位置5，再写入新的内容，最后再次获取文件指针位置并输出。

读取和写入数据的高级操作

  1. 分散（Scatter）与聚集（Gather） 分散和聚集操作是FileChannel提供的高级特性。分散操作是指将一个通道中的数据分散读取到多个缓冲区中，而聚集操作则是指将多个缓冲区中的数据聚集写入到一个通道中。

以下是分散读取的示例：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class ScatterReadExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("example.txt");
             FileChannel channel = fis.getChannel()) {
            ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(5);
            ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.allocate(10);
            ByteBuffer[] buffers = {buffer1, buffer2};
            channel.read(buffers);

            buffer1.flip();
            buffer2.flip();

            while (buffer1.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) buffer1.get());
            }
            while (buffer2.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) buffer2.get());
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件读取失败：" + e.getMessage());
        }
    }
}

在上述代码中，我们创建了两个ByteBuffer，并将它们放入一个数组中。通过FileChannel的read(ByteBuffer[] buffers)方法将文件中的数据分散读取到这两个缓冲区中。

聚集写入的示例如下：

import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class GatherWriteExample {
    public static void main(String[] args) {
        String part1 = "这是第一部分内容。";
        String part2 = "这是第二部分内容。";
        try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("example.txt");
             FileChannel channel = fos.getChannel()) {
            ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.wrap(part1.getBytes());
            ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.wrap(part2.getBytes());
            ByteBuffer[] buffers = {buffer1, buffer2};
            channel.write(buffers);
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件写入失败：" + e.getMessage());
        }
    }
}

这里创建了两个包含不同内容的ByteBuffer，并通过FileChannel的write(ByteBuffer[] buffers)方法将这两个缓冲区中的数据聚集写入到文件中。

  1. 内存映射文件（Memory - Mapped Files） 内存映射文件是一种将文件内容直接映射到内存中的技术，这样可以像访问内存一样访问文件，从而提高I/O操作的效率。FileChannel提供了map()方法来实现内存映射文件。

以下是一个简单的示例，展示如何使用内存映射文件读取文件内容：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class MemoryMappedFileReadExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("example.txt");
             FileChannel channel = fis.getChannel()) {
            MappedByteBuffer mbb = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, channel.size());
            while (mbb.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) mbb.get());
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件读取失败：" + e.getMessage());
        }
    }
}

在上述代码中，通过FileChannel的map()方法将文件映射为只读的内存映射缓冲区MappedByteBuffer。然后可以直接从这个缓冲区中读取数据，就像读取普通内存一样。

性能对比：传统文件操作与NIO文件通道

性能测试方法

为了对比传统文件操作和NIO文件通道的性能，我们可以编写性能测试代码。测试场景设定为读取和写入一个较大的文件（例如100MB的文件）。

  1. 传统文件操作的性能测试
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;

public class TraditionalIOPerformanceTest {
    public static void main(String[] args) {
        String sourceFile = "largeFile.txt";
        String targetFile = "copiedFile.txt";
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(sourceFile);
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream(targetFile)) {
            int data;
            while ((data = fis.read()) != -1) {
                fos.write(data);
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件操作失败：" + e.getMessage());
        }
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("传统文件操作耗时：" + (endTime - startTime) + " 毫秒");
    }
}
  1. NIO文件通道的性能测试
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class NIOPerformanceTest {
    public static void main(String[] args) {
        String sourceFile = "largeFile.txt";
        String targetFile = "copiedFile.txt";
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(sourceFile);
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream(targetFile);
             FileChannel sourceChannel = fis.getChannel();
             FileChannel targetChannel = fos.getChannel()) {
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8192);
            while (sourceChannel.read(buffer) != -1) {
                buffer.flip();
                targetChannel.write(buffer);
                buffer.clear();
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("文件操作失败：" + e.getMessage());
        }
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("NIO文件通道操作耗时：" + (endTime - startTime) + " 毫秒");
    }
}

性能测试结果分析

在大多数情况下，NIO文件通道在处理大文件时性能优于传统文件操作。这主要是因为NIO文件通道基于块的操作方式以及缓冲区的使用，减少了系统调用的次数，提高了数据传输的效率。

例如，在上述性能测试中，如果largeFile.txt是一个100MB的文件，传统文件操作可能需要较长的时间来完成读写操作，因为它每次只读取和写入一个字节的数据。而NIO文件通道通过缓冲区一次性读取和写入多个字节的数据，大大减少了I/O操作的次数，从而提高了性能。

然而，在处理小文件时，两者的性能差异可能并不明显。因为NIO文件通道的初始化和缓冲区管理也会带来一定的开销，在处理小文件时这些开销可能会抵消其性能优势。

同时，性能还受到操作系统、硬件设备等多种因素的影响。在不同的环境下，传统文件操作和NIO文件通道的性能表现可能会有所不同。因此，在实际应用中，需要根据具体的场景和需求来选择合适的文件操作方式。

NIO文件通道与网络编程的关联

在网络编程中的应用

  1. SocketChannel与FileChannel的结合 在网络编程中，SocketChannel用于处理网络连接的I/O操作，而FileChannel可以与之结合，实现高效的网络文件传输。例如，在一个简单的文件上传服务器中，可以使用SocketChannel接收客户端发送的文件数据，并通过FileChannel将数据写入到服务器的文件系统中。

以下是一个简单的示例，展示如何使用SocketChannel和FileChannel实现文件上传：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardOpenOption;

public class FileUploadServer {
    public static void main(String[] args) {
        try (ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open()) {
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
            System.out.println("服务器已启动，等待客户端连接...");
            try (SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                 FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("uploadedFile.txt"), StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.WRITE)) {
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8192);
                while (socketChannel.read(buffer) != -1) {
                    buffer.flip();
                    fileChannel.write(buffer);
                    buffer.clear();
                }
                System.out.println("文件上传成功！");
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("服务器出现错误：" + e.getMessage());
        }
    }
}

在上述代码中，ServerSocketChannel用于监听客户端的连接请求。当有客户端连接时，获取SocketChannel，并使用FileChannel将从SocketChannel读取的数据写入到文件中。

  1. 利用NIO的多路复用特性 NIO的多路复用特性通过Selector实现，它可以让一个线程管理多个通道，这在网络编程中非常有用。结合FileChannel，可以实现更高效的网络应用，例如在一个同时处理文件I/O和网络连接的服务器中，可以使用Selector来监听多个SocketChannel和FileChannel的事件。

以下是一个简单的示例，展示如何使用Selector管理SocketChannel和FileChannel：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.file.Paths;
import java.nio.file.StandardOpenOption;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class MultiplexingExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (Selector selector = Selector.open();
             ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open()) {
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(9999));
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("example.txt"), StandardOpenOption.READ);
            fileChannel.configureBlocking(false);
            fileChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

            while (true) {
                int readyChannels = selector.select();
                if (readyChannels == 0) continue;

                Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();

                while (keyIterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = keyIterator.next();

                    if (key.isAcceptable()) {
                        try (SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept()) {
                            socketChannel.configureBlocking(false);
                            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                        }
                    } else if (key.isReadable()) {
                        if (key.channel() instanceof SocketChannel) {
                            try (SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel()) {
                                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8192);
                                socketChannel.read(buffer);
                                buffer.flip();
                                // 处理从SocketChannel读取的数据
                            }
                        } else if (key.channel() instanceof FileChannel) {
                            FileChannel fc = (FileChannel) key.channel();
                            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8192);
                            fc.read(buffer);
                            buffer.flip();
                            // 处理从FileChannel读取的数据
                        }
                    }
                    keyIterator.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("出现错误：" + e.getMessage());
        }
    }
}

在上述代码中，Selector同时监听ServerSocketChannel的连接事件（OP_ACCEPT）、SocketChannel的读事件（OP_READ）以及FileChannel的读事件（OP_READ）。通过这种方式，可以在一个线程中高效地管理多个通道的I/O操作，提高系统资源的利用率。

优势与挑战

  1. 优势 结合NIO文件通道和网络编程，可以带来以下优势：
  • 高效的数据传输：NIO的缓冲区和通道机制可以减少数据的拷贝次数，提高数据在网络和文件系统之间传输的效率。例如在文件上传和下载场景中，能够快速地将数据从网络连接传输到文件或者从文件传输到网络连接。
  • 资源利用率高：通过Selector实现的多路复用I/O，可以让一个线程管理多个通道，避免了为每个连接或文件I/O操作创建单独的线程，从而减少了线程上下文切换的开销，提高了系统的整体性能。
  • 灵活性：NIO提供了更灵活的I/O操作方式，可以根据不同的需求进行定制化开发。例如，可以根据数据的特点和传输要求，灵活选择缓冲区的大小和类型，以及调整通道的读写策略。
  1. 挑战 然而，在实际应用中也面临一些挑战：
  • 编程复杂度增加：NIO的编程模型相对传统的I/O模型更加复杂，需要开发者深入理解缓冲区、通道和选择器的概念和使用方法。例如，正确地管理缓冲区的状态（如flip()、clear()等操作）以及合理地使用选择器来处理多个通道的事件，都需要一定的编程技巧和经验。
  • 错误处理：由于NIO涉及到异步操作和多路复用，错误处理变得更加复杂。例如，在处理多个通道的I/O操作时，一个通道出现错误可能会影响到其他通道的正常运行，需要开发者仔细设计错误处理机制，以确保系统的稳定性和可靠性。
  • 兼容性问题：在一些老旧的系统或者特定的环境中，NIO的支持可能存在兼容性问题。例如，某些操作系统对NIO的某些特性支持不完善，可能会导致性能下降或者功能无法正常实现。因此，在实际应用中需要进行充分的测试和兼容性评估。

综上所述，虽然NIO文件通道与网络编程的结合带来了诸多优势，但开发者需要充分考虑其带来的挑战，合理设计和实现代码，以确保系统的高效、稳定运行。