【linux】NIO中的FileChannel与mmap

FileChannel是Java NIO库中的一个类，用于对文件进行读写操作。它提供了一种高效的方式来读取、写入和操作文件。

使用FileChannel，你可以执行以下操作：

1. 从文件读取数据到缓冲区（Buffer）：你可以使用FileChannel的read()方法将数据从文件读取到缓冲区中。
2. 将数据从缓冲区写入到文件：你可以使用FileChannel的write()方法将数据从缓冲区写入到文件中。
3. 文件位置操作：你可以使用FileChannel的position()方法获取或设置文件的当前位置。
4. 文件截取操作：你可以使用FileChannel的truncate()方法截取文件的大小。
5. 强制数据同步到磁盘：你可以使用FileChannel的force()方法将数据强制刷新到磁盘上。

文件的顺序读写

要使用FileChannel，首先需要通过FileInputStream或FileOutputStream获取一个FileChannel实例，然后可以使用该实例进行文件的读写操作。

下面是一个简单的示例代码，展示了如何使用FileChannel读取文件内容并写入到另一个文件中：

package com.morris.io;

import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

/**
 * FileChannel实现随机读取文件
 */
public class RandomAccessDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建文件对象和FileChannel对象
        File file = new File("RandomAccessDemo.txt");
        RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(file, "rw");
        FileChannel fileChannel = randomAccessFile.getChannel();

        // 设置文件的当前位置
        long readPosition = 10;
        fileChannel.position(readPosition);

        // 创建缓冲区
        ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(5);
        // 从当前位置读取数据到缓冲区
        int bytesRead = fileChannel.read(readBuffer);
        System.out.println(new String(readBuffer.array()));

        long writePosition = 20; // 这个位置文件中没数据
        fileChannel.position(writePosition);
        // 创建缓冲区，一个char两个字节
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(6);
        writeBuffer.put("xyz".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        writeBuffer.flip();
        fileChannel.write(writeBuffer);

        // 关闭通道和文件
        fileChannel.close();
        randomAccessFile.close();
    }
}

产生的系统调用如下：

openat(AT_FDCWD, "input.txt", O_RDONLY) = 4
fstat(4, {st_mode=S_IFREG|0777, st_size=13, ...}) = 0
openat(AT_FDCWD, "output.txt", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0666) = 7
fstat(7, {st_mode=S_IFREG|0777, st_size=0, ...}) = 0
read(4, "abc\nooxx\nefg\n", 1024)       = 13
write(7, "abc\nooxx\nefg\n", 13)        = 13
read(4, "", 1024)                       = 0
close(4)
close(7)

文件的随机读写

FileChannel提供了随机读写文件的功能，可以通过position()方法来设置文件的当前位置，然后使用read()方法从该位置开始读取数据，使用write()方法从该位置开始写入数据。

下面是一个示例代码，展示了如何使用FileChannel进行随机读写文件的操作：

package com.morris.io;

import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

/**
 * FileChannel实现随机读取文件
 */
public class RandomAccessDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建文件对象和FileChannel对象
        File file = new File("RandomAccessDemo.txt");
        RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(file, "rw");
        FileChannel fileChannel = randomAccessFile.getChannel();

        // 设置文件的当前位置
        long readPosition = 10;
        fileChannel.position(readPosition);

        // 创建缓冲区
        ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(5);
        // 从当前位置读取数据到缓冲区
        int bytesRead = fileChannel.read(readBuffer);
        System.out.println(new String(readBuffer.array()));

        long writePosition = 20;
        fileChannel.position(writePosition);
        // 创建缓冲区，一个char两个字节
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(6);
        writeBuffer.put("xyz".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        writeBuffer.flip();
        fileChannel.write(writeBuffer);

        // 关闭通道和文件
        fileChannel.close();
        randomAccessFile.close();
    }
}

产生的系统调用如下：

openat(AT_FDCWD, "RandomAccessFileDemo.txt", O_RDWR|O_CREAT, 0666) = 4
fstat(4, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=18, ...}) = 0
lseek(4, 10, SEEK_SET)                  = 10
read(4, "j\nklm", 5)                    = 5
write(1, "j\nklm\n", 6)                 = 6
lseek(4, 20, SEEK_SET)                  = 20
write(4, "xyz", 3)                      = 3
close(4)

系统调用使用lseek来移动定位position在文件中的位置。

如果访问文件的position大于文件的长度会怎么样？
程序执行前的文件内容：

abcde
fghij
klmno

程序执行后的文件内容：

abcde
fghij
klmno
^@^@xyz

可以看到访问文件的position大于文件的长度后，中间会用空来填充。

内存映射文件mmap

FileChannel还提供了内存映射文件的功能，通过使用map()方法，可以将文件映射到内存中的一个ByteBuffer对象，从而实现对文件的高效读写操作。

下面是一个示例代码，展示了如何使用内存映射文件的方式读取和写入文件：

package com.morris.io;

import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

/**
 * mmap，将文件映射到内存中
 */
public class MemoryMappedFileDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建文件对象和FileChannel对象
        File file = new File("MemoryMappedFileDemo.txt");
        FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(file, "rw").getChannel();

        // 将文件映射到内存中
        MappedByteBuffer buffer = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, file.length());

        // 读取文件内容
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.print((char) buffer.get()); // 输出数据
        }

        System.in.read();

        // 修改文件内容
        buffer.put(0, (byte) 'H');
        buffer.put(1, (byte) 'e');
        buffer.put(2, (byte) 'l');
        buffer.put(3, (byte) 'l');
        buffer.put(4, (byte) 'o');

        // 刷新缓冲区到磁盘
        buffer.force();

        // 关闭通道和文件
        fileChannel.close();
    }
}

产生的系统调用如下：

openat(AT_FDCWD, "MemoryMappedFileDemo.txt", O_RDWR|O_CREAT, 0666) = 4
fstat(4, {st_mode=S_IFREG|0777, st_size=18, ...}) = 0
mmap(NULL, 18, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, 4, 0) = 0x7f4fa4004000
write(1, "a", 1)                        = 1
write(1, "b", 1)                        = 1
write(1, "c", 1)                        = 1
write(1, "d", 1)                        = 1
write(1, "e", 1)                        = 1
write(1, "\n", 1)                       = 1
write(1, "f", 1)                        = 1
write(1, "g", 1)                        = 1
write(1, "h", 1)                        = 1
write(1, "i", 1)                        = 1
write(1, "j", 1)                        = 1
write(1, "\n", 1)                       = 1
write(1, "k", 1)                        = 1
write(1, "l", 1)                        = 1
write(1, "m", 1)                        = 1
write(1, "n", 1)                        = 1
write(1, "o", 1)                        = 1
write(1, "\n", 1)                       = 1

read(0, "\n", 8192)
msync(0x7f4fa4004000, 18, MS_SYNC)      = 0
close(4)

中间的代码System.in.read()可以让程序暂停，这时可以查看文件打开的描述符：

$ lsof -p 8964
COMMAND  PID USER   FD   TYPE             DEVICE  SIZE/OFF              NODE NAME
java    8964 root  mem    REG               0,50        18 10977524091816630 /io-demo/target/classes/MemoryMappedFileDemo.txt

java    8964 root    4u   REG               0,50        18 10977524091816630 /io-demo/target/classes/MemoryMappedFileDemo.txt

将文件映射到内存中可以指定长度，这样可以做到只映射文件的部分内容，如果映射的长度大于文件本身的长度，就会扩大文件的长度。这样就限制了文件无法完成拓展，因为mmap到内存的时候，所能操作的范围就确定了，无法增加文件的长度。

mmap的优点：

• 高效访问：mmap使得文件的读写操作像访问内存一样高效，避免了频繁的系统调用和数据拷贝。
• 文件共享：多个进程可以将同一个文件映射到各自的地址空间，实现文件共享，方便进程间通信和数据共享。
• 零拷贝：与零拷贝技术结合，可以在网络传输中减少数据拷贝，提高传输性能。
• 内存管理：支持用户空间的内存管理，例如内存映射和私有化。

FileChannel锁定文件

FileChannel还提供了文件锁定的功能，可以通过lock()方法来对文件进行加锁，以防止其他进程对文件的读写操作。

下面是一个示例代码，展示了如何使用文件锁定的方式对文件进行操作：

package com.morris.io;

import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.FileLock;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

/**
 * FileChannel可以对文件加锁
 */
public class FileLockDemo {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建文件对象和FileChannel对象
        File file = new File("FileLockDemo.txt");
        FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(file, "rw").getChannel();

        // 对文件进行加锁
        FileLock lock = fileChannel.lock();

        new Thread(() -> {
            try {
                main(args);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        // 暂停下，让其他线程访问下文件，演示锁的效果
        System.in.read();

        // 执行文件操作（读取、写入等）
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        byteBuffer.put("file lock".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        byteBuffer.flip();
        fileChannel.write(byteBuffer);

        // 解锁文件
        lock.release();

        // 关闭通道和文件
        fileChannel.close();
    }
}

产生的系统调用如下：

openat(AT_FDCWD, "FileLockDemo.txt", O_RDWR|O_CREAT, 0666) = 4
fstat(4, {st_mode=S_IFREG|0777, st_size=0, ...}) = 0
fcntl(4, F_SETLKW, {l_type=F_WRLCK, l_whence=SEEK_SET, l_start=0, l_len=0}) = 0
read(0, "\n", 8192)
write(4, "file lock", 9)                = 9
fcntl(4, F_SETLK, {l_type=F_UNLCK, l_whence=SEEK_SET, l_start=0, l_len=0}) = 0
close(4)

中间的代码System.in.read()可以让程序暂停，这时可以查看文件打开的描述符：

java    9355 root    4uW  REG               0,50        12 14073748835656455 /io-demo/target/classes/FileLockDemo.txt

可以看到文件描述符4后面多了个W。

其他线程访问已加锁的文件会抛出异常：

Exception in thread "Thread-0" java.nio.channels.OverlappingFileLockException
        at java.base/sun.nio.ch.FileLockTable.checkList(FileLockTable.java:229)
        at java.base/sun.nio.ch.FileLockTable.add(FileLockTable.java:123)
        at java.base/sun.nio.ch.FileChannelImpl.lock(FileChannelImpl.java:1276)
        at java.base/java.nio.channels.FileChannel.lock(FileChannel.java:1089)
        at com.morris.io.FileLockDemo.main(FileLockDemo.java:22)
        at com.morris.io.FileLockDemo.lambda$main$0(FileLockDemo.java:26)
        at java.base/java.lang.Thread.run(Thread.java:833)

但是其他进程访问这个已经加锁的文件，可以成功，执行如下的命令可以成功，why？？？

$ echo xxx > FileLockDemo.txt