深入理解网络 I/O：FileOutputStream、BufferFileOutputStream、ByteBuffer

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🌲文章所在专栏：网络 I/O
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前言

在 Java API 中，应用 I/O 有不同的方式，本文会从三种不同方向的 I/O 来介绍写的操作，分别是：FileOutputStream、BufferFileOutputStream、RandomAccessFile

FileOutputStream：普通 I/O 写
BufferFileOutputStream：以一个 Buffer 缓冲的方式写
RandomAccessFile：以指针的方式向前推进读或写，该类的实例支持对随机访问文件的读写

同时会以 strace 追踪日志内容的方式，来分析它们在内核是如何操作的，有无进行用户态内核态切换或者何时进行这个切换动作的

FileOutputStream

FileOutputStream 对应的是文件输出流，FileInputStream 是文件输入流

文件输出流是将数据写入 File 或 FileDescriptor-FD 文件描述符的输出流中，FileOutputStream 通过字节流的方式进行写入，对于字符流的写入，可以使用 FileWriter

文件输入流是从文件系统中的文件中获取输入的字节，可用的文件取决于主机的环境，FileInputStream 用于读取原始字节流，如：图像数据，对于字符流的读取，可以使用 FileReader

代码

下面通过一段简单的代码来使用 FileOutputStream

import java.io.File;
import java.io.FileOutputStream;

/**
 * 普通文件 IO 写
 *
 * @author vnjohn
 * @since 2023/12/18
 */
public class NormalFileIO {
    static byte[] DATA = "1234567890\n".getBytes();
    static String PATH = "/opt/io/normal/out.txt";

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        File file = new File(PATH);
        FileOutputStream out = new FileOutputStream(file);
        while (true) {
            // 模拟业务代码，让文件慢点写数据
            Thread.sleep(10);
            out.write(DATA);
        }
    }
}

指定一个要写入字节流的文件输出流：/opt/io/normal/out.txt，开启一个循环不断的往这个文件里写入数据，再循环中使用 Thread#sleep 方法来模拟业务代码的执行

strace

将源文件放入到 Linux 虚拟机节点进行编译执行

1、javac NormalFileIO.java
2、创建目录：/opt/io/normal
3、strace 追踪：strace -ff -o normal_out java NormalFileIO

让它运行一段时间以后，通过：jps 命令查看有哪些 java 进程在运行，通过它的 pid 号+1 就能知道 normal_out 文件前缀的后缀是什么了.

通过 tail -f /opt/io/normal_out.pid 一直观察窗口是否滚动

可以看到通过 FIleOutputStream 输出流是每调用一次 write 方法都会触发一次系统调用函数：write，也就是每调用一次就触发了一次用户态和内核态的切换，这种方式会极其的影响用户程序的资源和性能。

BufferFileOutputStream

BufferFileOutputStream：该类实现了一个缓冲的输出流，通过设置这样的输出流，应用程序可以将字节写入输出流中，而不必每个写入的字节或每一段写入的字节调用系统函数

它是以一个 buffer 大小进行写入的，当字节总数大于或等于这个 buffer 设置的字节数，那么它就会触发一次系统调用，将它写入到文件中.

源码

BufferFileOutputStream 它提供了两个构造函数，当我们传入一个 FileOutputStream 输出流对象时，在其内部会对其做一层处理，观察如下的方法实现：

// 存储数据的缓冲区
protected byte buf[];
// 计数器：缓冲区的有效字节数，0-buf.length 范围
protected int count;

// 创建一个 8KB 缓冲输出流
public BufferedOutputStream(OutputStream out) {
	this(out, 8192);
}

// 创建一个自定义字节大小的缓冲输出流，比如：1024、2048、4096
public BufferedOutputStream(OutputStream out, int size) {
    super(out);
    if (size <= 0) {
        throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");
    }
    buf = new byte[size];
}

/**
 * 将指定字节写入缓冲输出流中.
 *
 * @param      b   要写入的字节
 * @exception  IOException  if an I/O error occurs.
 */
public synchronized void write(int b) throws IOException {
    if (count >= buf.length) {
        flushBuffer();
    }
    buf[count++] = (byte)b;
}

/** 将数据真正触发系统调用写入到文件中后计数器归为 0 */
private void flushBuffer() throws IOException {
    if (count > 0) {
        out.write(buf, 0, count);
        count = 0;
    }
}

在默认的情况下，缓冲输出流是以一个8KB 大小进行写入文件的，而在触发 write 方法时不是像 FileOutputStream 一样立马触发写操作的，而是先判断缓冲区字节数的大小是否超过要写入的长度，超过了立马触发系统调用 write 操作，未超过则将其存入到本地的字节数组中.

所以在使用它的时候，要计算出你本次要写入文件的大小是多少再进行构造，若小于默认的 8KB 时，你永远在文件中是看不到这些要写入的信息的，你需要手动调用 BufferFileOutputStream#flush 方法触写入操作

代码

通过以下简单的代码来使用 BufferFileOutputStream

import java.io.BufferedOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileOutputStream;

/**
 * @author vnjohn
 * @since 2023/12/18
 */
public class BufferFileIO {
    static byte[] DATA = "1234567890\n".getBytes();
    static String PATH = "/opt/io/buffer/out.txt";

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        File file = new File(PATH);
        // 将 FileOutput 包装为 BufferedOutput
        BufferedOutputStream out = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file));
        while (true) {
            // 模拟业务代码执行时间
            Thread.sleep(10);
            out.write(DATA);
        }
    }
}

以默认 8KB 字节大小的批次进行写入文件，对 FileOutputStream 进行了一层包装，底层用的是它，但是在操作时使用的是 BufferedOutputStream

strace

通过在 Linux 虚拟机节点中编译以上的源码来观察内核源码的执行情况

1、javac BufferFileIO.java
2、mkdir /opt/io/buffer
3、strace 追踪：strace -ff -o buffer_out java BufferFileIO

运行以下命令后，通过 tail -f buffer_out.pid 文件，来查看它的运行轨迹，运行结果如下图：

可以观察到等待了很多（直到 8KB 写满）才触发系统函数：write 调用，将其写入到文件中，对比普通 I/O 写 Buffer I/O 方式在性能上以及资源的利用上减少了很多

FileOutput VS BufferFileOutput

在 Buffer 方式下写它的效率一定是会比普通 File 方式写要快很多的

因为通过以上的例子来看，它们两者的区别在用户态与内核态之间的切换次数不同：buffer < 普通 file

Buffer 在 JVM 中是先以 8KB 字节数组存储起来满了以后再调用内核写入到内存的，但是普通 File 它是每一次 write 写入都会触发一次用户态与内核态的切换

普通 File 写

write(4, "1234567890\n", 11)   = 11 

Buffer 写

write(5, "1234567890\n1234567890\n1234567890"..., 8184) = 8184

ByteBuffer

ByteBuffer 是 Java NIO 中用于操作字节数据的缓冲区类之一，它提供了一种方便的方式来处理字节数据，支持读取、写入、操作和管理字节数据.

介绍

主要的特点和功能

1. ByteBuffer 有固定的容量（capacity — 可容纳的字节总数）同时它还有一个位置（position — 下一个要读取或写入的位置）
2. ByteBuffer 可以在读取模式和写入模式之间切换，在读取模式下，可以从缓冲区中读取数据；在写入模式下，它可以将数据写入缓冲区
3. ByteBuffer 提供了许多方法用于读取和写入数据，如：get、put 等，这些方法允许你读取或写入单个字节、字符、整数、长整数、浮点数等各种数据类型
4. ByteBuffer 支持不同的字节顺序，可以通过 order 方法来设置字节顺序，包括大端序、小端序
5. ByteBuffer 与通道（Channel）配合使用，例如：FileChannel、SocketChannel 用于文件和网络 I/O 操作
6. 通过 FileChannel 可以内存映射文件写入，通过 MappedByteBuffer 将文件内容映射到内存中，以便在内存中进行读写操作

ByteBuffer 类主要的方法及其简要说明，如下：

1. allocate(int capacity)：创建一个新的字节缓冲区，其容量为指定大小的字节数，分配的是应用程序 JVM 堆空间，例如：ByteBuffer buffer = new ByteBuffer.allocate(1024);

public static ByteBuffer allocate(int capacity) {
    if (capacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    return new HeapByteBuffer(capacity, capacity);
}

2. allocateDirect(int capacity)：创建一个新的直接字节缓冲区，其容量为指定大小的字节数，直接缓冲区将在本地内存（Native Memory）中进行分配，适用于需要高性能的场景

public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
    return new DirectByteBuffer(capacity);
}

3. put(byte b)：将指定的字节写入缓冲区的当前位置，例如：buffer.put((byte)65);

public final ByteBuffer put(byte[] src) {
    return put(src, 0, src.length);
}

// 会将 position 向右移动 1 字节 
public ByteBuffer put(byte[] src, int offset, int length) {
    checkBounds(offset, length, src.length);
    if (length > remaining())
        throw new BufferOverflowException();
    int end = offset + length;
    for (int i = offset; i < end; i++)
        this.put(src[i]);
    return this;
}

4. putInt(int value)：将指定的整数按照当前的字节顺序写入到缓冲区，例如：buffer.putInt(123);

public ByteBuffer putInt(int x) {
	// position 会向右移动 4 位
    Bits.putInt(this, ix(nextPutIndex(4)), x, bigEndian);
    return this;
}

5. get()：读取缓冲区当前位置的字节，然后将 position 向前/右移动一个字节，例如：byte b = buffer.get();

public byte get() {
	// position = p + 1;
    return hb[ix(nextGetIndex())];
}

6. getInt()：从缓冲区的当前 position 读取四个，并根据当前字节顺序返回一个整数，例如：int value = buffer.getInt();

public int getInt() {
    return Bits.getInt(this, ix(nextGetIndex(4)), bigEndian);
}

7. flip()：将缓冲区从写入模式切换为读取模式，该方法会将 limit 设置为当前 position，然后将 position 重置为 0

public final Buffer flip() {
    limit = position;
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

8. compact()：调用该方法后，缓冲区的位置 position 会被设置为未读取数据的末尾，限制 limit 会被设置为容量 capacity，以便进行后续的写入操作

public ByteBuffer compact() {
    System.arraycopy(hb, ix(position()), hb, ix(0), remaining());
    position(remaining());
    limit(capacity());
    discardMark();
    return this;
}

9. clear()：清空缓冲区，将 position 设置为 0，limit 设置为 capacity，准备重新写入缓冲区

public final Buffer clear() {
    position = 0;
    limit = capacity;
    mark = -1;
    return this;
}

9. rewind()：将 position 设置为 0，不改变 limit，这样可以重新读取缓冲区中的数据

public final Buffer rewind() {
    position = 0;
    mark = -1;
    return this;
}

使用

import java.nio.ByteBuffer;

/**
 * @author vnjohn
 * @since 2023/12/20
 */
public class StudyByteBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        whatByteBuffer();
    }

    public static void whatByteBuffer() {
        // JVM 堆内分配
//         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        // Java 进程堆内分配、JVM 堆外分配 > 直接内存-与操作系统内存交互的
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
        System.out.println("position: " + buffer.position());
        System.out.println("limit: " + buffer.limit());
        System.out.println("capacity: " + buffer.capacity());
        System.out.println("mark: " + buffer);
        System.out.println("------------- put:123 -------------");
        buffer.put("123".getBytes());
        System.out.println("------------- putInt:123 -------------");
        buffer.putInt(123);
        System.out.println("mark: " + buffer);
        // 读写交替：读取之前先要 flip
        System.out.println("------------- flip -------------");
        buffer.flip();
        System.out.println("mark: " + buffer);
        // 取一个字节：position 位置向右移
        buffer.get();
        System.out.println("------------- get -------------");
        buffer.getInt();
        System.out.println("------------- getInt -------------");
        System.out.println("mark: " + buffer);
        System.out.println("------------- rewind -------------");
        buffer.rewind();
        System.out.println("mark: " + buffer);
        // 写操作：从未读取的位置开始重新写入
        System.out.println("------------- compact -------------");
        buffer.compact();
        System.out.println("mark: " + buffer);
        System.out.println("------------- clear -------------");
        buffer.clear();
        System.out.println("mark: " + buffer);
    }
}

运行 main 方法，控制台输出如下：

position: 0
limit: 1024
capacity: 1024
mark: java.nio.DirectByteBuffer[pos=0 lim=1024 cap=1024]
------------- put:123 -------------
------------- putInt:123 -------------
mark: java.nio.DirectByteBuffer[pos=7 lim=1024 cap=1024]
------------- flip -------------
mark: java.nio.DirectByteBuffer[pos=0 lim=7 cap=1024]
------------- get -------------
------------- getInt -------------
mark: java.nio.DirectByteBuffer[pos=5 lim=7 cap=1024]
------------- rewind -------------
mark: java.nio.DirectByteBuffer[pos=0 lim=7 cap=1024]
------------- compact -------------
mark: java.nio.DirectByteBuffer[pos=7 lim=1024 cap=1024]
------------- clear -------------
mark: java.nio.DirectByteBuffer[pos=0 lim=1024 cap=1024]

如何使用 ByteBuffer 操作文件

在说明使用 ByteBuffer 如何读、写、映射文件系统中的文件时，先介绍除了 ByteBuffer 之外的核心类

1. RandomAccessFile：Java I/O 中的类，用于随机访问文件的内容，它允许在文件中读取和写入数据，支持对文件的随机访问，可以定位到读写的位置

RandomAccessFile 可以以读取和写入的模式打开文件，并允许以任意位置读取或写入数据，因此适用于需要随机访问文件内容的场景

通过 RandomAccessFile#getChannel 方法可以获取对应的 FileChannel 对象

核心方法：
1、read()、write()：从文件读取数据到缓冲区、将数据写入文件
2、seek(long position)：定位文件指针到指定位置，以进行随机访问
3、getFilePointer：获取当前文件指针的位置
4、length()：获取文件的长度
5、close()：关闭文件流

2. FileChannel：Java NIO(java.nio.channels)中的类，提供了对文件的读写操作，但是它是在 FileChannel 上进行操作而不是直接读写文件，它是与底层操作系统的文件 I/O 操作进行交互的通道

FileChannel 支持顺序读写、随机读写、文件锁定等操作，提供了更高效的文件 I/O 操作，并可以与 MappedByteBuffer 配合使用进行数据的交互

核心方法：
1、read(ByteBuffer dst)：从通道读取数据到缓冲区
2、write(ByteBuffer src)：将缓冲区的数据写入通道
3、position(long newPosition)：设置通道为当前位置
4、size()：获取通道对应文件的大小
5、map(FileChannel.MapMode mode, long position, long size)：将文件区域映射到内存中后返回 MappedByteBuffer 对象
6、lock()、tryLock()：对文件区域进行加锁
7、close()：关闭通道

3. MappedByteBuffer：MappedByteBuffer 是 ByteBuffer 中的一种特殊实现，通过 FileChannel#map 方法进行创建，它是直接在内存中映射文件的一部分或全部内容，允许直接在内存中对文件进行读写操作

它将文件内容映射到内存中，并且允许对映射区域进行修改，同时修改会同步更新到文件中

1、get()、put()：从缓冲区读取数据、将数据写入缓冲区
2、load()、force()：将文件内容加载到内存、将修改内容强制写入到文件中
3、isLoaded()：检查缓冲区是否已加载到内存
4、isDirect()：检查缓冲区是否是直接缓冲区

RandomAccessFile 提供了对文件的基本读写能力，FileChannel 提供了更高效的文件操作方式，而 MappedByteBuffer 允许直接在内存中对文件内容进行操作.

三者结合，天衣无缝，先打开文件->用高效的 I/O 读写方式->再以缓冲区的方式进行写

各自应用到了它们的优势

代码

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

/**
 * @author vnjohn
 * @since 2023/12/18
 */
public class MMapFileNIO {
    static String PATH = "/opt/io/mmap/out.txt";

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(PATH, "rw");
        System.out.println("-------- write --------");
        randomAccessFile.write("hello \n".getBytes());
        randomAccessFile.write("study every day\n".getBytes());
        // 偏移到指定的位置{5}后追加内容
        System.out.println("-------- seek ---------");
        randomAccessFile.seek(5);
        randomAccessFile.write("vnjohn".getBytes());
        // FileChannel 依赖于 RandomAccessFile
        FileChannel fileChannel = randomAccessFile.getChannel();
        // mmap：调用 FileChannel#map 方法映射出一块用户态->内核态之间的共享区域，分配 4KB 大小
        MappedByteBuffer map = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 4096);
        map.put("@".getBytes());
        // mmap 内存映射，仍然受内核的 page cache 体系所约束的
        System.out.println("-------- mmap#put --------");
        // 强制将对该缓冲区内容所做的任何更改写入
        // map.force();
        randomAccessFile.seek(0);
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8192);
        // 随机写入完毕的文件再读入到一个给定的字节缓冲区中
        System.out.println("ByteBuffer#read：" + buffer);
        fileChannel.read(buffer);
        // 在开始读取内容时，需要调用 flip 方法归位
        buffer.flip();
        System.out.println("ByteBuffer#flip：" + buffer);
        // 读取字节缓冲区，从 0-buffer.size 这个区间的内容
        for (int i = 0; i < buffer.limit(); i++) {
            Thread.sleep(200);
            System.out.print(((char) buffer.get(i)));
        }
    }
    
}

strace

通过在 Linux 虚拟机节点中编译以上的源码来观察内核源码的执行情况

1、javac MMapFileNIO.java
2、mkdir /opt/io/mmap
3、strace 追踪：strace -ff -o mmap_out java MMapFileNIO

运行以下命令后，通过 tail -f mmap_out.pid 文件，来查看它的运行轨迹，运行结果如下图（只关注 mmap）：

发现 FileChannel#map 方法映射出一块用户态与内核态之间共享的内存区域，底层调用的就是 mmap 函数.

总结

该篇博文主要介绍了 FileOutputStream、BufferFileOutputStream、ByteBuffer 类的特征，简要介绍了如何使用它们进行文件与内存之间的操作，FileOutStream 每次写都会触发系统调用，BufferFileOutStream 以一个批次的方式触发系统调用，而 ByteBuffer 下有很多种实现，HeapByteBuffer 是属于 JVM 堆内的一块内存区域，DirectByteBuffer 是属于 Java 进程堆内也就是 JVM 堆外的一块内存区域，MappedByteBuffer 它是直接操作用户空间与内核空间的一块共享区域，以上的实现它们都是基于操作系统的页缓存进行操作文件及网络 I/O 的，它们在极端的情况下都会丢失数据

MappedByteBuffer 运用了 mmap 系统函数调用，实现了零拷贝次数（减少了用户态与内核态之间的切换同时也减少了上下文切换的次数）
下篇文章会具体介绍 mmap、sendfile、Direct I/O 特征以及它们在 Java 中如何进行操作

希望您能够喜欢该篇博文提供的知识点篇章，感谢三连支持??

🌟🌟🌟愿你我都能够在寒冬中相互取暖，互相成长，只有不断积累、沉淀自己，后面有机会自然能破冰而行！

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