深入分析:用1K內(nèi)存實(shí)現(xiàn)高效I/O的RandomAccessFile類的詳解

更新時(shí)間：2013年05月17日 09:30:45 作者：

本篇文章是對(duì)用1K內(nèi)存實(shí)現(xiàn)高效I/O的RandomAccessFile類的詳細(xì)分析介紹，需要的朋友參考下

主體：
目前最流行的J2SDK版本是1.3系列。使用該版本的開發(fā)人員需文件隨機(jī)存取，就得使用RandomAccessFile類。其I/O性能較之其它常用開發(fā)語言的同類性能差距甚遠(yuǎn)，嚴(yán)重影響程序的運(yùn)行效率。
開發(fā)人員迫切需要提高效率，下面分析RandomAccessFile等文件類的源代碼，找出其中的癥結(jié)所在，并加以改進(jìn)優(yōu)化，創(chuàng)建一個(gè)"性/價(jià)比"俱佳的隨機(jī)文件訪問類BufferedRandomAccessFile。
在改進(jìn)之前先做一個(gè)基本測(cè)試：逐字節(jié)COPY一個(gè)12兆的文件（這里牽涉到讀和寫）。

讀	寫	耗用時(shí)間（秒）
RandomAccessFile	RandomAccessFile	95.848
BufferedInputStream + DataInputStream	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.935

我們可以看到兩者差距約32倍，RandomAccessFile也太慢了。先看看兩者關(guān)鍵部分的源代碼，對(duì)比分析，找出原因。
1．1．[RandomAccessFile]

復(fù)制代碼代碼如下:

public class RandomAccessFile implements DataOutput, DataInput {
 public final byte readByte() throws IOException {
  int ch = this.read();
  if (ch < 0)
   throw new EOFException();
  return (byte)(ch);
 }
 public native int read() throws IOException; 
 public final void writeByte(int v) throws IOException {
  write(v);
 } 
 public native void write(int b) throws IOException; 
}

可見，RandomAccessFile每讀/寫一個(gè)字節(jié)就需對(duì)磁盤進(jìn)行一次I/O操作。
1．2．[BufferedInputStream]

復(fù)制代碼代碼如下:

public class BufferedInputStream extends FilterInputStream {
 private static int defaultBufferSize = 2048; 
 protected byte buf[]; // 建立讀緩存區(qū)
 public BufferedInputStream(InputStream in, int size) {
  super(in);        
  if (size <= 0) {
   throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");
  }
  buf = new byte[size];
 }
 public synchronized int read() throws IOException {
  ensureOpen();
  if (pos >= count) {
   fill();
   if (pos >= count)
    return -1;
  }
  return buf[pos++] & 0xff; // 直接從BUF[]中讀取
 } 
 private void fill() throws IOException {
 if (markpos < 0)
     pos = 0;  /* no mark: throw away the buffer */
 else if (pos >= buf.length) /* no room left in buffer */
     if (markpos > 0) { /* can throw away early part of the buffer */
  int sz = pos - markpos;
  System.arraycopy(buf, markpos, buf, 0, sz);
  pos = sz;
  markpos = 0;
     } else if (buf.length >= marklimit) {
  markpos = -1; /* buffer got too big, invalidate mark */
  pos = 0; /* drop buffer contents */
     } else {  /* grow buffer */
  int nsz = pos * 2;
  if (nsz > marklimit)
      nsz = marklimit;
  byte nbuf[] = new byte[nsz];
  System.arraycopy(buf, 0, nbuf, 0, pos);
  buf = nbuf;
     }
 count = pos;
 int n = in.read(buf, pos, buf.length - pos);
 if (n > 0)
     count = n + pos;
 }
}

1．3．[BufferedOutputStream]

復(fù)制代碼代碼如下:

public class BufferedOutputStream extends FilterOutputStream {
   protected byte buf[]; // 建立寫緩存區(qū)
   public BufferedOutputStream(OutputStream out, int size) {
  super(out);
  if (size <= 0) {
   throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");
  }
  buf = new byte[size];
    } 
public synchronized void write(int b) throws IOException {
  if (count >= buf.length) {
      flushBuffer();
  }
  buf[count++] = (byte)b; // 直接從BUF[]中讀取
   }
   private void flushBuffer() throws IOException {
  if (count > 0) {
   out.write(buf, 0, count);
   count = 0;
  }
   }
}

可見，Buffered I/O putStream每讀/寫一個(gè)字節(jié)，若要操作的數(shù)據(jù)在BUF中，就直接對(duì)內(nèi)存的buf[]進(jìn)行讀/寫操作；否則從磁盤相應(yīng)位置填充buf[]，再直接對(duì)內(nèi)存的buf[]進(jìn)行讀/寫操作，絕大部分的讀/寫操作是對(duì)內(nèi)存buf[]的操作。
1．3．小結(jié)
內(nèi)存存取時(shí)間單位是納秒級(jí)（10E-9），磁盤存取時(shí)間單位是毫秒級(jí)（10E-3），同樣操作一次的開銷，內(nèi)存比磁盤快了百萬倍。理論上可以預(yù)見，即使對(duì)內(nèi)存操作上萬次，花費(fèi)的時(shí)間也遠(yuǎn)少對(duì)于磁盤一次I/O的開銷。顯然后者是通過增加位于內(nèi)存的BUF存取，減少磁盤I/O的開銷，提高存取效率的，當(dāng)然這樣也增加了BUF控制部分的開銷。從實(shí)際應(yīng)用來看，存取效率提高了32倍。
根據(jù)1.3得出的結(jié)論，現(xiàn)試著對(duì)RandomAccessFile類也加上緩沖讀寫機(jī)制。
隨機(jī)訪問類與順序類不同，前者是通過實(shí)現(xiàn)DataInput/DataOutput接口創(chuàng)建的，而后者是擴(kuò)展FilterInputStream/FilterOutputStream創(chuàng)建的，不能直接照搬。
2．1．開辟緩沖區(qū)BUF[默認(rèn)：1024字節(jié)]，用作讀/寫的共用緩沖區(qū)。
2．2．先實(shí)現(xiàn)讀緩沖。
讀緩沖邏輯的基本原理：
A 欲讀文件POS位置的一個(gè)字節(jié)。
B 查BUF中是否存在？若有，直接從BUF中讀取，并返回該字符BYTE。
C 若沒有，則BUF重新定位到該P(yáng)OS所在的位置并把該位置附近的BUFSIZE的字節(jié)的文件內(nèi)容填充BUFFER，返回B。
以下給出關(guān)鍵部分代碼及其說明：

復(fù)制代碼代碼如下:

public class BufferedRandomAccessFile extends RandomAccessFile {
//  byte read(long pos)：讀取當(dāng)前文件POS位置所在的字節(jié)
//  bufstartpos、bufendpos代表BUF映射在當(dāng)前文件的首/尾偏移地址。
//  curpos指當(dāng)前類文件指針的偏移地址。
    public byte read(long pos) throws IOException {
        if (pos < this.bufstartpos || pos > this.bufendpos ) {
            this.flushbuf();
            this.seek(pos);
            if ((pos < this.bufstartpos) || (pos > this.bufendpos)) 
                throw new IOException();
        }
        this.curpos = pos;
        return this.buf[(int)(pos - this.bufstartpos)];
    }
// void flushbuf()：bufdirty為真，把buf[]中尚未寫入磁盤的數(shù)據(jù)，寫入磁盤。
    private void flushbuf() throws IOException {
        if (this.bufdirty == true) {
            if (super.getFilePointer() != this.bufstartpos) {
                super.seek(this.bufstartpos);
            }
            super.write(this.buf, 0, this.bufusedsize);
            this.bufdirty = false;
        }
    }
// void seek(long pos)：移動(dòng)文件指針到pos位置，并把buf[]映射填充至POS
所在的文件塊。
    public void seek(long pos) throws IOException {
        if ((pos < this.bufstartpos) || (pos > this.bufendpos)) { // seek pos not in buf
            this.flushbuf();
            if ((pos >= 0) && (pos <= this.fileendpos) && (this.fileendpos != 0)) 
{   // seek pos in file (file length > 0)
               this.bufstartpos =  pos * bufbitlen / bufbitlen;
                this.bufusedsize = this.fillbuf();
            } else if (((pos == 0) && (this.fileendpos == 0)) 
|| (pos == this.fileendpos + 1)) 
{   // seek pos is append pos
                this.bufstartpos = pos;
                this.bufusedsize = 0;
            }
            this.bufendpos = this.bufstartpos + this.bufsize - 1;
        }
        this.curpos = pos;
    }
// int fillbuf()：根據(jù)bufstartpos，填充buf[]。
    private int fillbuf() throws IOException {
        super.seek(this.bufstartpos);
        this.bufdirty = false;
        return super.read(this.buf);
    }
}

至此緩沖讀基本實(shí)現(xiàn)，逐字節(jié)COPY一個(gè)12兆的文件（這里牽涉到讀和寫，用BufferedRandomAccessFile試一下讀的速度）：

讀	寫	耗用時(shí)間（秒）
RandomAccessFile	RandomAccessFile	95.848
BufferedRandomAccessFile	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.813
BufferedInputStream + DataInputStream	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.935

可見速度顯著提高，與BufferedInputStream+DataInputStream不相上下。
2．3．實(shí)現(xiàn)寫緩沖。
寫緩沖邏輯的基本原理：
A欲寫文件POS位置的一個(gè)字節(jié)。
B 查BUF中是否有該映射？若有，直接向BUF中寫入，并返回true。
C若沒有，則BUF重新定位到該P(yáng)OS所在的位置，并把該位置附近的 BUFSIZE字節(jié)的文件內(nèi)容填充BUFFER，返回B。
下面給出關(guān)鍵部分代碼及其說明：

復(fù)制代碼代碼如下:

// boolean write(byte bw, long pos)：向當(dāng)前文件POS位置寫入字節(jié)BW。
// 根據(jù)POS的不同及BUF的位置：存在修改、追加、BUF中、BUF外等情
況。在邏輯判斷時(shí)，把最可能出現(xiàn)的情況，最先判斷，這樣可提高速度。
// fileendpos：指示當(dāng)前文件的尾偏移地址，主要考慮到追加因素
    public boolean write(byte bw, long pos) throws IOException {
        if ((pos >= this.bufstartpos) && (pos <= this.bufendpos)) { 
// write pos in buf
            this.buf[(int)(pos - this.bufstartpos)] = bw;
            this.bufdirty = true;
            if (pos == this.fileendpos + 1) { // write pos is append pos
                this.fileendpos++;
                this.bufusedsize++;
            }
        } else { // write pos not in buf
            this.seek(pos);
            if ((pos >= 0) && (pos <= this.fileendpos) && (this.fileendpos != 0)) 
{ // write pos is modify file
                this.buf[(int)(pos - this.bufstartpos)] = bw;
            } else if (((pos == 0) && (this.fileendpos == 0)) 
|| (pos == this.fileendpos + 1)) { // write pos is append pos
                this.buf[0] = bw;
                this.fileendpos++;
                this.bufusedsize = 1;
            } else {
                throw new IndexOutOfBoundsException();
            }
            this.bufdirty = true;
        }
        this.curpos = pos;
        return true;
    }

至此緩沖寫基本實(shí)現(xiàn)，逐字節(jié)COPY一個(gè)12兆的文件，（這里牽涉到讀和寫，結(jié)合緩沖讀，用BufferedRandomAccessFile試一下讀/寫的速度）：

讀	寫	耗用時(shí)間（秒）
RandomAccessFile	RandomAccessFile	95.848
BufferedInputStream + DataInputStream	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.935
BufferedRandomAccessFile	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.813
BufferedRandomAccessFile	BufferedRandomAccessFile	2.453

可見綜合讀/寫速度已超越BufferedInput/OutputStream+DataInput/OutputStream。
優(yōu)化BufferedRandomAccessFile。
優(yōu)化原則：
•調(diào)用頻繁的語句最需要優(yōu)化，且優(yōu)化的效果最明顯。
•多重嵌套邏輯判斷時(shí)，最可能出現(xiàn)的判斷，應(yīng)放在最外層。
•減少不必要的NEW。
這里舉一典型的例子：

復(fù)制代碼代碼如下:

public void seek(long pos) throws IOException {
  ...
this.bufstartpos =  pos * bufbitlen / bufbitlen; 
// bufbitlen指buf[]的位長，例：若bufsize=1024，則bufbitlen=10。
...
}

seek函數(shù)使用在各函數(shù)中，調(diào)用非常頻繁，上面加重的這行語句根據(jù)pos和bufsize確定buf[]對(duì)應(yīng)當(dāng)前文件的映射位置，用"*"、"/"確定，顯然不是一個(gè)好方法。
優(yōu)化一：this.bufstartpos = (pos << bufbitlen) >> bufbitlen;
優(yōu)化二：this.bufstartpos = pos & bufmask; // this.bufmask = ~((long)this.bufsize - 1);
兩者效率都比原來好，但后者顯然更好，因?yàn)榍罢咝枰獌纱我莆贿\(yùn)算、后者只需一次邏輯與運(yùn)算（bufmask可以預(yù)先得出）。
至此優(yōu)化基本實(shí)現(xiàn)，逐字節(jié)COPY一個(gè)12兆的文件，（這里牽涉到讀和寫，結(jié)合緩沖讀，用優(yōu)化后BufferedRandomAccessFile試一下讀/寫的速度）：

讀	寫	耗用時(shí)間（秒）
RandomAccessFile	RandomAccessFile	95.848
BufferedInputStream + DataInputStream	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.935
BufferedRandomAccessFile	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.813
BufferedRandomAccessFile	BufferedRandomAccessFile	2.453
BufferedRandomAccessFile優(yōu)	BufferedRandomAccessFile優(yōu)	2.197

可見優(yōu)化盡管不明顯，還是比未優(yōu)化前快了一些，也許這種效果在老式機(jī)上會(huì)更明顯。
以上比較的是順序存取，即使是隨機(jī)存取，在絕大多數(shù)情況下也不止一個(gè)BYTE，所以緩沖機(jī)制依然有效。而一般的順序存取類要實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存取就不怎么容易了。
需要完善的地方
提供文件追加功能：

復(fù)制代碼代碼如下:

public boolean append(byte bw) throws IOException {
        return this.write(bw, this.fileendpos + 1);
    }

提供文件當(dāng)前位置修改功能：

復(fù)制代碼代碼如下:

public boolean write(byte bw) throws IOException {
        return this.write(bw, this.curpos);
    }

返回文件長度（由于BUF讀寫的原因，與原來的RandomAccessFile類有所不同）：

復(fù)制代碼代碼如下:

public long length() throws IOException {
        return this.max(this.fileendpos + 1, this.initfilelen);
    }

返回文件當(dāng)前指針（由于是通過BUF讀寫的原因，與原來的RandomAccessFile類有所不同）：

復(fù)制代碼代碼如下:

public long getFilePointer() throws IOException {
        return this.curpos;
    }

提供對(duì)當(dāng)前位置的多個(gè)字節(jié)的緩沖寫功能：

復(fù)制代碼代碼如下:

public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {
        long writeendpos = this.curpos + len - 1;
        if (writeendpos <= this.bufendpos) { // b[] in cur buf
System.arraycopy(b, off, this.buf, (int)(this.curpos - this.bufstartpos), 
len);
            this.bufdirty = true;
            this.bufusedsize = (int)(writeendpos - this.bufstartpos + 1);
        } else { // b[] not in cur buf
            super.seek(this.curpos);
            super.write(b, off, len);
        }
        if (writeendpos > this.fileendpos)
            this.fileendpos = writeendpos;
        this.seek(writeendpos+1);
}
    public void write(byte b[]) throws IOException {
        this.write(b, 0, b.length);
    }

提供對(duì)當(dāng)前位置的多個(gè)字節(jié)的緩沖讀功能：

復(fù)制代碼代碼如下:

public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
long readendpos = this.curpos + len - 1;
   if (readendpos <= this.bufendpos && readendpos <= this.fileendpos ) { 
// read in buf
      System.arraycopy(this.buf, (int)(this.curpos - this.bufstartpos), 
b, off, len);
   } else { // read b[] size > buf[]
     if (readendpos > this.fileendpos) { // read b[] part in file
        len = (int)(this.length() - this.curpos + 1);
       }
       super.seek(this.curpos);
       len = super.read(b, off, len);
       readendpos = this.curpos + len - 1;
   }
       this.seek(readendpos + 1);
       return len;
}
   public int read(byte b[]) throws IOException {
        return this.read(b, 0, b.length);
   }
public void setLength(long newLength) throws IOException {
        if (newLength > 0) {
            this.fileendpos = newLength - 1;
        } else {
            this.fileendpos = 0;
        }
        super.setLength(newLength);
}

public void close() throws IOException {
        this.flushbuf();
        super.close();
    }

至此完善工作基本完成，試一下新增的多字節(jié)讀/寫功能，通過同時(shí)讀/寫1024個(gè)字節(jié)，來COPY一個(gè)12兆的文件，（這里牽涉到讀和寫，用完善后BufferedRandomAccessFile試一下讀/寫的速度）：

讀	寫	耗用時(shí)間（秒）
RandomAccessFile	RandomAccessFile	95.848
BufferedInputStream + DataInputStream	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.935
BufferedRandomAccessFile	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.813
BufferedRandomAccessFile	BufferedRandomAccessFile	2.453
BufferedRandomAccessFile優(yōu)	BufferedRandomAccessFile優(yōu)	2.197
BufferedRandomAccessFile完	BufferedRandomAccessFile完	0.401

與JDK1.4新類MappedByteBuffer+RandomAccessFile的對(duì)比？
JDK1.4提供了NIO類，其中MappedByteBuffer類用于映射緩沖，也可以映射隨機(jī)文件訪問，可見JAVA設(shè)計(jì)者也看到了RandomAccessFile的問題，并加以改進(jìn)。怎么通過MappedByteBuffer+RandomAccessFile拷貝文件呢？下面就是測(cè)試程序的主要部分：

復(fù)制代碼代碼如下:

RandomAccessFile rafi = new RandomAccessFile(SrcFile, "r");
   RandomAccessFile rafo = new RandomAccessFile(DesFile, "rw");
 FileChannel fci = rafi.getChannel();
FileChannel fco = rafo.getChannel();
 long size = fci.size();
 MappedByteBuffer mbbi = fci.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, size);
MappedByteBuffer mbbo = fco.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, size);
long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < size; i++) {
            byte b = mbbi.get(i);
            mbbo.put(i, b);
}
fcin.close();
fcout.close();
rafi.close();
rafo.close();
System.out.println("Spend: "+(double)(System.currentTimeMillis()-start) / 1000 + "s");

試一下JDK1.4的映射緩沖讀/寫功能，逐字節(jié)COPY一個(gè)12兆的文件，（這里牽涉到讀和寫）：

讀	寫	耗用時(shí)間（秒）
RandomAccessFile	RandomAccessFile	95.848
BufferedInputStream + DataInputStream	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.935
BufferedRandomAccessFile	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.813
BufferedRandomAccessFile	BufferedRandomAccessFile	2.453
BufferedRandomAccessFile優(yōu)	BufferedRandomAccessFile優(yōu)	2.197
BufferedRandomAccessFile完	BufferedRandomAccessFile完	0.401
MappedByteBuffer+ RandomAccessFile	MappedByteBuffer+ RandomAccessFile	1.209

確實(shí)不錯(cuò)，看來JDK1.4比1.3有了極大的進(jìn)步。如果以后采用1.4版本開發(fā)軟件時(shí)，需要對(duì)文件進(jìn)行隨機(jī)訪問，建議采用MappedByteBuffer+RandomAccessFile的方式。但鑒于目前采用JDK1.3及以前的版本開發(fā)的程序占絕大多數(shù)的實(shí)際情況，如果您開發(fā)的JAVA程序使用了RandomAccessFile類來隨機(jī)訪問文件，并因其性能不佳，而擔(dān)心遭用戶詬病，請(qǐng)?jiān)囉帽疚乃峁┑腂ufferedRandomAccessFile類，不必推翻重寫，只需IMPORT 本類，把所有的RandomAccessFile改為BufferedRandomAccessFile，您的程序的性能將得到極大的提升，您所要做的就這么簡單。
未來的考慮
讀者可在此基礎(chǔ)上建立多頁緩存及緩存淘汰機(jī)制，以應(yīng)付對(duì)隨機(jī)訪問強(qiáng)度大的應(yīng)用。

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