前言

內(nèi)存映射文件(Memory-mapped File)，指的是將一段虛擬內(nèi)存逐字節(jié)映射于一個(gè)文件，使得應(yīng)用程序處理文件如同訪問(wèn)主內(nèi)存（但在真正使用到這些數(shù)據(jù)前卻不會(huì)消耗物理內(nèi)存，也不會(huì)有讀寫磁盤的操作），這要比直接文件讀寫快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

稍微解釋一下虛擬內(nèi)存（很明顯，不是物理內(nèi)存），它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存管理的一種技術(shù)。像施了妖法一樣使得應(yīng)用程序認(rèn)為它擁有連續(xù)的可用的內(nèi)存，實(shí)際上呢，它通常是被分隔成多個(gè)物理內(nèi)存的碎片，還有部分暫時(shí)存儲(chǔ)在外部磁盤存儲(chǔ)器上，在需要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

內(nèi)存映射文件主要的用處是增加 I/O 性能，特別是針對(duì)大文件。對(duì)于小文件，內(nèi)存映射文件反而會(huì)導(dǎo)致碎片空間的浪費(fèi)，因?yàn)閮?nèi)存映射總是要對(duì)齊頁(yè)邊界，最小單位是 4 KiB，一個(gè) 5 KiB 的文件將會(huì)映射占用 8 KiB 內(nèi)存，也就會(huì)浪費(fèi) 3 KiB 內(nèi)存。

java.nio 包使得內(nèi)存映射變得非常簡(jiǎn)單，其中的核心類叫做 MappedByteBuffer，字面意思為映射的字節(jié)緩沖區(qū)。

01、使用 MappedByteBuffer 讀取文件

假設(shè)現(xiàn)在有一個(gè)文件，名叫 cmower.txt，里面的內(nèi)容是：

沉默王二，一個(gè)有趣的程序員

PS：哎，改不了王婆賣瓜自賣自夸這個(gè)臭毛病了，因?yàn)槲恼卤槐I得都怕了。

這個(gè)文件放在 /resource 目錄下，我們可以通過(guò)下面的方法獲取到它：

ClassLoader classLoader = Cmower.class.getClassLoader();
Path path = Paths.get(classLoader.getResource("cmower.txt").getPath());

Path 既可以表示一個(gè)目錄，也可以表示一個(gè)文件，就像 File 那樣——當(dāng)然了，Path 是用來(lái)取代 File 的。

然后，從文件中獲取一個(gè) channel（通道，對(duì)磁盤文件的一種抽象）。

FileChannel fileChannel = FileChannel.open(path);

緊接著，調(diào)用 FileChannel 類的 map 方法從 channel 中獲取 MappedByteBuffer，此類擴(kuò)展了 ByteBuffer——提供了一些內(nèi)存映射文件的基本操作方法。

MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(mode, position, size);

稍微解釋一下 map 方法的三個(gè)參數(shù)。

1）mode 為文件映射模式，分為三種：

• MapMode.READ_ONLY（只讀），任何試圖修改緩沖區(qū)的操作將導(dǎo)致拋出 ReadOnlyBufferException 異常。
• MapMode.READ_WRITE（讀/寫），任何對(duì)緩沖區(qū)的更改都會(huì)在某個(gè)時(shí)刻寫入文件中。需要注意的是，其他映射同一個(gè)文件的程序可能不能立即看到這些修改，多個(gè)程序同時(shí)進(jìn)行文件映射的行為依賴于操作系統(tǒng)。
• MapMode.PRIVATE（私有）， 對(duì)緩沖區(qū)的更改不會(huì)被寫入到該文件，任何修改對(duì)這個(gè)緩沖區(qū)來(lái)說(shuō)都是私有的。

2）position 為文件映射時(shí)的起始位置。

3）size 為要映射的區(qū)域的大小，必須是非負(fù)數(shù)，不得大于Integer.MAX_VALUE。

一旦把文件映射到內(nèi)存緩沖區(qū)，我們就可以把里面的數(shù)據(jù)讀入到 CharBuffer 中并打印出來(lái)。具體的代碼示例如下。

CharBuffer charBuffer = null;
ClassLoader classLoader = Cmower.class.getClassLoader();
Path path = Paths.get(classLoader.getResource("cmower.txt").getPath());
try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(path)) {
 MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(MapMode.READ_ONLY, 0, fileChannel.size());

 if (mappedByteBuffer != null) {
  charBuffer = Charset.forName("UTF-8").decode(mappedByteBuffer);
 }

 System.out.println(charBuffer.toString());
} catch (IOException e) {
 e.printStackTrace();
}

由于 decode() 方法的參數(shù)是 MappedByteBuffer，這就意味著我們是從內(nèi)存中而不是磁盤中讀入的文件內(nèi)容，所以速度會(huì)非?？?。

02、使用 MappedByteBuffer 寫入文件

假設(shè)現(xiàn)在要把下面的內(nèi)容寫入到一個(gè)文件，名叫 cmower1.txt。

沉默王二，《Web全棧開(kāi)發(fā)進(jìn)階之路》作者

這個(gè)文件還沒(méi)有創(chuàng)建，計(jì)劃放在項(xiàng)目的 classpath 目錄下。

Path path = Paths.get("cmower1.txt");

具體位置見(jiàn)下圖所示。

然后，創(chuàng)建文件的通道。

FileChannel fileChannel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.WRITE,
    StandardOpenOption.TRUNCATE_EXISTING)

仍然使用的 open 方法，不過(guò)增加了 3 個(gè)參數(shù)，前 2 個(gè)很好理解，表示文件可讀（READ）、可寫（WRITE）；第 3 個(gè)參數(shù) TRUNCATE_EXISTING 的意思是如果文件已經(jīng)存在，并且文件已經(jīng)打開(kāi)將要進(jìn)行 WRITE 操作，則其長(zhǎng)度被截?cái)酁?0。

緊接著，仍然調(diào)用 FileChannel 類的 map 方法從 channel 中獲取 MappedByteBuffer。

 MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);

這一次，我們把模式調(diào)整為 MapMode.READ_WRITE，并且指定文件大小為 1024，即 1KB 的大小。然后使用 MappedByteBuffer 中的 put() 方法將 CharBuffer 的內(nèi)容保存到文件中。具體的代碼示例如下。

CharBuffer charBuffer = CharBuffer.wrap("沉默王二，《Web全棧開(kāi)發(fā)進(jìn)階之路》作者");
Path path = Paths.get("cmower1.txt");
try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ, StandardOpenOption.WRITE,
  StandardOpenOption.TRUNCATE_EXISTING)) {
 MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);

 if (mappedByteBuffer != null) {
  mappedByteBuffer.put(Charset.forName("UTF-8").encode(charBuffer));
 }

} catch (IOException e) {
 e.printStackTrace();
}

可以打開(kāi) cmower1.txt 查看一下內(nèi)容，確認(rèn)預(yù)期的內(nèi)容有沒(méi)有寫入成功。

03、MappedByteBuffer 的遺憾

據(jù)說(shuō)，在 Java 中使用 MappedByteBuffer 是一件非常麻煩并且痛苦的事，主要表現(xiàn)有：

1）一次 map 的大小最好限制在 1.5G 左右，重復(fù) map 會(huì)增加虛擬內(nèi)存回收和重新分配的壓力。也就是說(shuō)，如果文件大小不確定的話，就不太友好。

2）虛擬內(nèi)存由操作系統(tǒng)來(lái)決定什么時(shí)候刷新到磁盤，這個(gè)時(shí)間不太容易被程序控制。

3）MappedByteBuffer 的回收方式比較詭異。

再次強(qiáng)調(diào)，這三種說(shuō)法都是據(jù)說(shuō)，我暫時(shí)能力有限，也不能確定這種說(shuō)法的準(zhǔn)確性，很遺憾。

04、比較文件操作的處理時(shí)間

嗨，朋友，閱讀完以上的內(nèi)容之后，我想你一定對(duì)內(nèi)存映射文件有了大致的了解。但我相信，如果你是一名負(fù)責(zé)任的程序員，你一定還想知道：內(nèi)存映射文件的讀取速度究竟有多快。

為了得出結(jié)論，我叫了另外三名競(jìng)賽的選手：InputStream（普通輸入流）、BufferedInputStream（帶緩沖的輸入流）、RandomAccessFile（隨機(jī)訪問(wèn)文件）。

讀取的對(duì)象是加勒比海盜4驚濤怪浪.mkv，大小為 1.71G。

1）普通輸入流

public static void inputStream(Path filename) {
 try (InputStream is = Files.newInputStream(filename)) {
  int c;
  while((c = is.read()) != -1) {
  }
 } catch (IOException e) {
  e.printStackTrace();
 }
}

2）帶緩沖的輸入流

public static void bufferedInputStream(Path filename) {
 try (InputStream is = new BufferedInputStream(Files.newInputStream(filename))) {
  int c;
  while((c = is.read()) != -1) {
  }
 } catch (IOException e) {
  e.printStackTrace();
 }
}

3）隨機(jī)訪問(wèn)文件

public static void randomAccessFile(Path filename) {
 try (RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(filename.toFile(), "r")) {
  for (long i = 0; i < randomAccessFile.length(); i++) {
   randomAccessFile.seek(i);
  }
 } catch (IOException e) {
  e.printStackTrace();
 }
}

4）內(nèi)存映射文件

public static void mappedFile(Path filename) {
 try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(filename)) {
  long size = fileChannel.size();
  MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(MapMode.READ_ONLY, 0, size);
  for (int i = 0; i < size; i++) {
   mappedByteBuffer.get(i);
  }
 } catch (IOException e) {
  e.printStackTrace();
 }
}

測(cè)試程序也很簡(jiǎn)單，大致如下：

long start = System.currentTimeMillis();
bufferedInputStream(Paths.get("jialebi.mkv"));
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end-start);

四名選手的結(jié)果如下表所示。

普通輸入流和隨機(jī)訪問(wèn)文件都慢得要命，真的是龜速，我沒(méi)有耐心等待出結(jié)果；帶緩沖的輸入流的表現(xiàn)還不錯(cuò)，但相比內(nèi)存映射文件就遜色多了。由此得出的結(jié)論就是：內(nèi)存映射文件，上G大文件輕松處理。

05、最后

本篇文章主要介紹了 Java 的內(nèi)存映射文件，MappedByteBuffer 是其靈魂，讀取速度快如火箭。另外，所有這些示例和代碼片段都可以在 GitHub 上找到——這是一個(gè) Maven 項(xiàng)目，所以它很容易導(dǎo)入和運(yùn)行。

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。