Java IO/NIO多种读写文件方式

上一章节我们提到了Java 对文件的读写分为了基于阻塞模式的IO和非阻塞模式的NIO，本章节我将列举一些我们常用于读写文件的方式。

我们通常读写文件都是使用的阻塞模式，与之对应的也就是java.io.FileSystem。java.io.FileInputStream类提供了对文件的读取功能，Java的其他读取文件的方法基本上都是封装了java.io.FileInputStream类，比如：java.io.FileReader。

FileInputStream

使用FileInputStream实现文件读取Demo:

package com.anbai.sec.filesystem;

import java.io.*;

/**
 * Creator: yz
 * Date: 2019/12/4
 */
public class FileInputStreamDemo {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        File file = new File("/etc/passwd");

        // 打开文件对象并创建文件输入流
        FileInputStream fis = new FileInputStream(file);

        // 定义每次输入流读取到的字节数对象
        int a = 0;

        // 定义缓冲区大小
        byte[] bytes = new byte[1024];

        // 创建二进制输出流对象
        ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();

        // 循环读取文件内容
        while ((a = fis.read(bytes)) != -1) {
            // 截取缓冲区数组中的内容，(bytes, 0, a)其中的0表示从bytes数组的
            // 下标0开始截取，a表示输入流read到的字节数。
            out.write(bytes, 0, a);
        }

        System.out.println(out.toString());
    }

}

输出结果如下:

##
# User Database
# 
# Note that this file is consulted directly only when the system is running
# in single-user mode.  At other times this information is provided by
# Open Directory.
#
# See the opendirectoryd(8) man page for additional information about
# Open Directory.
##
nobody:*:-2:-2:Unprivileged User:/var/empty:/usr/bin/false
root:*:0:0:System Administrator:/var/root:/bin/sh
daemon:*:1:1:System Services:/var/root:/usr/bin/false
.....内容过长省去多余内容

调用链如下：

java.io.FileInputStream.readBytes(FileInputStream.java:219)
java.io.FileInputStream.read(FileInputStream.java:233)
com.anbai.sec.filesystem.FileInputStreamDemo.main(FileInputStreamDemo.java:27)

其中的readBytes是native方法，文件的打开、关闭等方法也都是native方法：

private native int readBytes(byte b[], int off, int len) throws IOException;
private native void open0(String name) throws FileNotFoundException;
private native int read0() throws IOException;
private native long skip0(long n) throws IOException;
private native int available0() throws IOException;
private native void close0() throws IOException;

java.io.FileInputStream类对应的native实现如下：

JNIEXPORT void JNICALL
Java_java_io_FileInputStream_open0(JNIEnv *env, jobject this, jstring path) {
    fileOpen(env, this, path, fis_fd, O_RDONLY);
}

JNIEXPORT jint JNICALL
Java_java_io_FileInputStream_read0(JNIEnv *env, jobject this) {
    return readSingle(env, this, fis_fd);
}

JNIEXPORT jint JNICALL
Java_java_io_FileInputStream_readBytes(JNIEnv *env, jobject this,
        jbyteArray bytes, jint off, jint len) {
    return readBytes(env, this, bytes, off, len, fis_fd);
}

JNIEXPORT jlong JNICALL
Java_java_io_FileInputStream_skip0(JNIEnv *env, jobject this, jlong toSkip) {
    jlong cur = jlong_zero;
    jlong end = jlong_zero;
    FD fd = GET_FD(this, fis_fd);
    if (fd == -1) {
        JNU_ThrowIOException (env, "Stream Closed");
        return 0;
    }
    if ((cur = IO_Lseek(fd, (jlong)0, (jint)SEEK_CUR)) == -1) {
        JNU_ThrowIOExceptionWithLastError(env, "Seek error");
    } else if ((end = IO_Lseek(fd, toSkip, (jint)SEEK_CUR)) == -1) {
        JNU_ThrowIOExceptionWithLastError(env, "Seek error");
    }
    return (end - cur);
}

JNIEXPORT jint JNICALL
Java_java_io_FileInputStream_available0(JNIEnv *env, jobject this) {
    jlong ret;
    FD fd = GET_FD(this, fis_fd);
    if (fd == -1) {
        JNU_ThrowIOException (env, "Stream Closed");
        return 0;
    }
    if (IO_Available(fd, &ret)) {
        if (ret > INT_MAX) {
            ret = (jlong) INT_MAX;
        } else if (ret < 0) {
            ret = 0;
        }
        return jlong_to_jint(ret);
    }
    JNU_ThrowIOExceptionWithLastError(env, NULL);
    return 0;
}

完整代码参考OpenJDK:openjdk/src/java.base/share/native/libjava/FileInputStream.c

FileOutputStream

使用FileOutputStream实现写文件Demo:

package com.anbai.sec.filesystem;

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

/**
 * Creator: yz
 * Date: 2019/12/4
 */
public class FileOutputStreamDemo {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 定义写入文件路径
        File file = new File("/tmp/1.txt");

        // 定义待写入文件内容
        String content = "Hello World.";

        // 创建FileOutputStream对象
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);

        // 写入内容二进制到文件
        fos.write(content.getBytes());
        fos.flush();
        fos.close();
    }

}

代码逻辑比较简单: 打开文件->写内容->关闭文件，调用链和底层实现分析请参考FileInputStream。

RandomAccessFile

Java提供了一个非常有趣的读取文件内容的类: java.io.RandomAccessFile,这个类名字面意思是任意文件内容访问，特别之处是这个类不仅可以像java.io.FileInputStream一样读取文件，而且还可以写文件。

RandomAccessFile读取文件测试代码:

package com.anbai.sec.filesystem;

import java.io.*;

/**
 * Creator: yz
 * Date: 2019/12/4
 */
public class RandomAccessFileDemo {

    public static void main(String[] args) {
        File file = new File("/etc/passwd");

        try {
            // 创建RandomAccessFile对象,r表示以只读模式打开文件，一共有:r(只读)、rw(读写)、
            // rws(读写内容同步)、rwd(读写内容或元数据同步)四种模式。
            RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "r");

            // 定义每次输入流读取到的字节数对象
            int a = 0;

            // 定义缓冲区大小
            byte[] bytes = new byte[1024];

            // 创建二进制输出流对象
            ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();

            // 循环读取文件内容
            while ((a = raf.read(bytes)) != -1) {
                // 截取缓冲区数组中的内容，(bytes, 0, a)其中的0表示从bytes数组的
                // 下标0开始截取，a表示输入流read到的字节数。
                out.write(bytes, 0, a);
            }

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

}

任意文件读取特性体现在如下方法：

// 获取文件描述符
public final FileDescriptor getFD() throws IOException 

// 获取文件指针
public native long getFilePointer() throws IOException;

// 设置文件偏移量
private native void seek0(long pos) throws IOException;

java.io.RandomAccessFile类中提供了几十个readXXX方法用以读取文件系统，最终都会调用到read0或者readBytes方法，我们只需要掌握如何利用RandomAccessFile读/写文件就行了。

RandomAccessFile写文件测试代码:

package com.anbai.sec.filesystem;

import java.io.File;
import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;

/**
 * Creator: yz
 * Date: 2019/12/4
 */
public class RandomAccessWriteFileDemo {

    public static void main(String[] args) {
        File file = new File("/tmp/test.txt");

        // 定义待写入文件内容
        String content = "Hello World.";

        try {
            // 创建RandomAccessFile对象,rw表示以读写模式打开文件，一共有:r(只读)、rw(读写)、
            // rws(读写内容同步)、rwd(读写内容或元数据同步)四种模式。
            RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");

            // 写入内容二进制到文件
            raf.write(content.getBytes());
            raf.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

FileSystemProvider

前面章节提到了JDK7新增的NIO.2的java.nio.file.spi.FileSystemProvider,利用FileSystemProvider我们可以利用支持异步的通道(Channel)模式读取文件内容。

FileSystemProvider读取文件内容示例:

package com.anbai.sec.filesystem;

import java.io.IOException;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;

/**
 * Creator: yz
 * Date: 2019/12/4
 */
public class FilesDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 通过File对象定义读取的文件路径
//        File file  = new File("/etc/passwd");
//        Path path1 = file.toPath();

        // 定义读取的文件路径
        Path path = Paths.get("/etc/passwd");

        try {
            byte[] bytes = Files.readAllBytes(path);
            System.out.println(new String(bytes));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

java.nio.file.Files是JDK7开始提供的一个对文件读写取非常便捷的API，其底层实在是调用了java.nio.file.spi.FileSystemProvider来实现对文件的读写的。最为底层的实现类是sun.nio.ch.FileDispatcherImpl#read0。

基于NIO的文件读取逻辑是：打开FileChannel->读取Channel内容。

打开FileChannel的调用链为：

sun.nio.ch.FileChannelImpl.<init>(FileChannelImpl.java:89)
sun.nio.ch.FileChannelImpl.open(FileChannelImpl.java:105)
sun.nio.fs.UnixChannelFactory.newFileChannel(UnixChannelFactory.java:137)
sun.nio.fs.UnixChannelFactory.newFileChannel(UnixChannelFactory.java:148)
sun.nio.fs.UnixFileSystemProvider.newByteChannel(UnixFileSystemProvider.java:212)
java.nio.file.Files.newByteChannel(Files.java:361)
java.nio.file.Files.newByteChannel(Files.java:407)
java.nio.file.Files.readAllBytes(Files.java:3152)
com.anbai.sec.filesystem.FilesDemo.main(FilesDemo.java:23)

文件读取的调用链为：

sun.nio.ch.FileChannelImpl.read(FileChannelImpl.java:147)
sun.nio.ch.ChannelInputStream.read(ChannelInputStream.java:65)
sun.nio.ch.ChannelInputStream.read(ChannelInputStream.java:109)
sun.nio.ch.ChannelInputStream.read(ChannelInputStream.java:103)
java.nio.file.Files.read(Files.java:3105)
java.nio.file.Files.readAllBytes(Files.java:3158)
com.anbai.sec.filesystem.FilesDemo.main(FilesDemo.java:23)

FileSystemProvider写文件示例:

package com.anbai.sec.filesystem;

import java.io.IOException;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;

/**
 * Creator: yz
 * Date: 2019/12/4
 */
public class FilesWriteDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 通过File对象定义读取的文件路径
//        File file  = new File("/etc/passwd");
//        Path path1 = file.toPath();

        // 定义读取的文件路径
        Path path = Paths.get("/tmp/test.txt");

        // 定义待写入文件内容
        String content = "Hello World.";

        try {
            // 写入内容二进制到文件
            Files.write(path, content.getBytes());
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

文件读写总结

Java内置的文件读取方式大概就是这三种方式，其他的文件读取API可以说都是对这几种方式的封装而已(依赖数据库、命令执行、自写JNI接口不算，本人个人理解,如有其他途径还请告知)。本章我们通过深入基于IO和NIO的Java文件系统底层API，希望大家能够通过以上Demo深入了解到文件读写的原理和本质。