解锁 Java I/O 力量，一站式掌握文件操作、内存映射等黑科技

大家好，今天我们来聊一聊 Java 中的 I/O 操作这个重要话题。作为一名资深 Java 开发者，深入掌握 Java I/O 体系不仅可以让我们对文件、网络等资源操作游刃有余，更可以在一些场景下发挥其独特的性能优势。接下来，就让我为您一一拨开 Java I/O 的神秘面纱!

一、Java I/O 家族简介

在 Java 中，I/O 操作被划分为字节与字符两个序列，依据不同的操作对象又细分为多个子系统，构成了一个庞大而全面的 I/O 家族:

• 文件 I/O:主要由 File 和 FileInputStream/FileOutputStream 等类库提供支持，用于文件系统层面的操作。
• 缓冲 I/O:通过 BufferedInputStream/BufferedOutputStream 等缓冲流类进行封装，提高I/O效率。
• 字符 I/O:Reader/Writer 家族类用于编码解码字符数据，支持跨平台操作。
• 管道/通道 I/O: Pipe/Channel 则为高级I/O提供了统一抽象，支持新I/O模型。
• 网络 I/O:由 Socket/ServerSocket 等网络编程类库组成，用于网络资源读写。
• 对象 I/O:通过 ObjectInputStream/ObjectOutputStream可直接序列化/反序列化对象。
• 内存映射 I/O:MappedByteBuffer则提供了利用内存映射文件提高IO效率的新模式。

可以看出，Java I/O 体系设计非常全面，几乎覆盖了所有常见的资源读写场景。我们今天将重点探讨其中最基础但也最核心的文件 I/O 操作，并领略下内存映射 I/O 的黑科技般的性能优化手段。

二、文件I/O操作原理

对于文件读写，File、FileInputStream/FileOutputStream都是我们再熟悉不过的 I/O 工具了。让我们先回顾下它们在内部是如何完成操作的:

1、File 对象

File只是一个描述文件元数据的抽象类，并不负责具体的读写操作。它在内部只维护了文件的相关属性，如文件名、路径、长度等。

2、FileInputStream/FileOutputStream

真正负责文件读写的是这两个流对象。以FileInputStream为例，在创建时它会打开文件获取一个底层操作系统资源fd(文件描述符)，指向要读取的文件数据入口。

在读取数据时，通过fd会调用操作系统的read()方法，将数据从硬盘文件缓冲区复制到程序数据缓冲区。反之，写出时则会将程序缓冲区数据复制到文件缓冲区。

这种通过用户/内核模式切换的读写方式，需要较多的上下文切换和数据复制开销。

3、FileReader/FileWriter

对于字符数据，我们则需要使用FileReader/FileWriter来避免字节和字符的编码转化问题。它们的底层机制与之前的流对象是类似的。

4、BufferedInputStream/BufferedOutputStream

为了减少系统调用次数，Java I/O 还提供了缓冲流支持。它们会在用户空间加入一个缓冲区，减少内核调用，从而提高I/O效率。

通过上面的分析我们可以发现，传统的文件 I/O 方式存在以下两个主要问题:

• 用户模式和内核模式间的上下文切换开销较大
• 需要在内核空间和用户空间复制数据，增加了CPU开销

所以，Java 7之后又引入了新的I/O模型 —— NIO 来解决这些问题，并在它的基础上发展出了一些高级I/O能力和性能优化手段。

想对 Java/IO体系有更深入了解的同学，请前往查阅这篇文章：揭秘Java I/O体系-从装饰者模式到Reader、Writer流 。

三、NIO 中的 FileChannel

相较于传统I/O流，NIO 中的FileChannel将数据传输方式进行了改进，从根本上解决了上下文切换和数据复制问题，成为了高效文件I/O的利器。

我们来看一个使用FileChannel进行文件复制的示例:

public static void copyFileByChannel(String src， String dest) throws IOException {
    FileInputStream fins = null;
    FileOutputStream fouts = null;
    FileChannel inchannel = null;
    FileChannel outchannel = null;
    try {
        fins = new FileInputStream(src);
        fouts = new FileOutputStream(dest);
        inchannel = fins.getChannel();
        outchannel = fouts.getChannel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
        while (true) {
            buffer.clear();
            int r = inchannel.read(buffer);
            if (r == -1) {
                break;
            }
            buffer.flip();
            outchannel.write(buffer);
        }
    } finally {
        fins.close();
        fouts.close();
    }
}

上述代码通过以下几个关键步骤实现了高效的文件复制:

1. 获取输入输出FileChannel对象，避免了FileInputStream等传统流的数据复制开销。
2. 使用DirectByteBuffer直接在内核空间扫描文件数据，避免了内存空间的附加复制开销。
3. 通过inchannel.read(buffer)和outchannel.write(buffer)将数据直接在内核缓冲区传输，减少了系统调用和上下文切换次数