高效的RandomAccessFile

时间  2020-07-20
标签 高效 randomaccessfile 繁體版
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主体：缓存

 

RandomAccessFile类。其I/O性能较之其它经常使用开发语言的同类性能差距甚远，严重影响程序的运行效率。app

开发人员迫切须要提升效率，下面分析RandomAccessFile等文件类的源代码，找出其中的症结所在，并加以改进优化，建立一个"性/价比"俱佳的随机文件访问类BufferedRandomAccessFile。dom

 

在改进以前先作一个基本测试：逐字节COPY一个12兆的文件（这里牵涉到读和写）。ide

 

读 写 耗用时间（秒）
RandomAccessFile RandomAccessFile 95.848
BufferedInputStream + DataInputStream BufferedOutputStream + DataOutputStream 2.935

 

咱们能够看到二者差距约32倍，RandomAccessFile也太慢了。先看看二者关键部分的源代码，对比分析，找出缘由。函数

 

1．1．[RandomAccessFile]性能

 

Java代码  收藏代码测试

  1. public class RandomAccessFile implements DataOutput, DataInput {  优化

  2.     public final byte readByte() throws IOException {  this

  3.         int ch = this.read();  spa

  4.         if (ch < 0)  

  5.             throw new EOFException();  

  6.         return (byte)(ch);  

  7.     }  

  8.     public native int read() throws IOException;   

  9.     public final void writeByte(int v) throws IOException {  

  10.         write(v);  

  11.     }   

  12.     public native void write(int b) throws IOException;   

  13. }  

 

可见，RandomAccessFile每读/写一个字节就需对磁盘进行一次I/O操做。

 

1．2．[BufferedInputStream]

 

Java代码  收藏代码

  1. public class BufferedInputStream extends FilterInputStream {  

  2.     private static int defaultBufferSize = 2048;   

  3.     protected byte buf[]; // 创建读缓存区  

  4.     public BufferedInputStream(InputStream in, int size) {  

  5.         super(in);          

  6.         if (size <= 0) {  

  7.             throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");  

  8.         }  

  9.         buf = new byte[size];  

  10.     }  

  11.     public synchronized int read() throws IOException {  

  12.         ensureOpen();  

  13.         if (pos >= count) {  

  14.             fill();  

  15.             if (pos >= count)  

  16.                 return -1;  

  17.         }  

  18.         return buf[pos++] & 0xff; // 直接从BUF[]中读取  

  19.     }   

  20.     private void fill() throws IOException {  

  21.     if (markpos < 0)  

  22.         pos = 0;        /* no mark: throw away the buffer */  

  23.     else if (pos >= buf.length)  /* no room left in buffer */  

  24.         if (markpos > 0) {   /* can throw away early part of the buffer */  

  25.         int sz = pos - markpos;  

  26.         System.arraycopy(buf, markpos, buf, 0, sz);  

  27.         pos = sz;  

  28.         markpos = 0;  

  29.         } else if (buf.length >= marklimit) {  

  30.         markpos = -1;   /* buffer got too big, invalidate mark */  

  31.         pos = 0;    /* drop buffer contents */  

  32.         } else {        /* grow buffer */  

  33.         int nsz = pos * 2;  

  34.         if (nsz > marklimit)  

  35.             nsz = marklimit;  

  36.         byte nbuf[] = new byte[nsz];  

  37.         System.arraycopy(buf, 0, nbuf, 0, pos);  

  38.         buf = nbuf;  

  39.         }  

  40.     count = pos;  

  41.     int n = in.read(buf, pos, buf.length - pos);  

  42.     if (n > 0)  

  43.         count = n + pos;  

  44.     }  

  45. }  

 

1．3．[BufferedOutputStream]

 

Java代码  收藏代码

  1. public class BufferedOutputStream extends FilterOutputStream {  

  2.    protected byte buf[]; // 创建写缓存区  

  3.    public BufferedOutputStream(OutputStream out, int size) {  

  4.         super(out);  

  5.         if (size <= 0) {  

  6.             throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");  

  7.         }  

  8.         buf = new byte[size];  

  9.     }   

  10. public synchronized void write(int b) throws IOException {  

  11.         if (count >= buf.length) {  

  12.             flushBuffer();  

  13.         }  

  14.         buf[count++] = (byte)b; // 直接从BUF[]中读取  

  15.    }  

  16.    private void flushBuffer() throws IOException {  

  17.         if (count > 0) {  

  18.             out.write(buf, 0, count);  

  19.             count = 0;  

  20.         }  

  21.    }  

  22. }  

 

可见，Buffered I/O putStream每读/写一个字节，若要操做的数据在BUF中，就直接对内存的buf[]进行读/写操做；不然从磁盘相应位置填充buf[]，再直接对内存的buf[]进行读/写操做，绝大部分的读/写操做是对内存buf[]的操做。

 

1．3．小结

 

内存存取时间单位是纳秒级（10E-9），磁盘存取时间单位是毫秒级（10E-3）， 一样操做一次的开销，内存比磁盘快了百万倍。理论上能够预见，即便对内存操做上万次，花费的时间也远少对于磁盘一次I/O的开销。 显而后者是经过增长位于内存的BUF存取，减小磁盘I/O的开销，提升存取效率的，固然这样也增长了BUF控制部分的开销。从实际应用来看，存取效率提升了32倍。

 

根据1.3得出的结论，现试着对RandomAccessFile类也加上缓冲读写机制。

 

随机访问类与顺序类不一样，前者是经过实现DataInput/DataOutput接口建立的，然后者是扩展FilterInputStream/FilterOutputStream建立的，不能直接照搬。

 

2．1．开辟缓冲区BUF[默认：1024字节]，用做读/写的共用缓冲区。

 

2．2．先实现读缓冲。

 

读缓冲逻辑的基本原理：

  • A 欲读文件POS位置的一个字节。

  • B 查BUF中是否存在？如有，直接从BUF中读取，并返回该字符BYTE。

  • C 若没有，则BUF从新定位到该POS所在的位置并把该位置附近的BUFSIZE的字节的文件内容填充BUFFER，返回B。

如下给出关键部分代码及其说明：

 

Java代码  收藏代码

  1. public class BufferedRandomAccessFile extends RandomAccessFile {  

  2. //  byte read(long pos)：读取当前文件POS位置所在的字节  

  3. //  bufstartpos、bufendpos表明BUF映射在当前文件的首/尾偏移地址。  

  4. //  curpos指当前类文件指针的偏移地址。  

  5.     public byte read(long pos) throws IOException {  

  6.         if (pos < this.bufstartpos || pos > this.bufendpos ) {  

  7.             this.flushbuf();  

  8.             this.seek(pos);  

  9.             if ((pos < this.bufstartpos) || (pos > this.bufendpos))   

  10.                 throw new IOException();  

  11.         }  

  12.         this.curpos = pos;  

  13.         return this.buf[(int)(pos - this.bufstartpos)];  

  14.     }  

  15. // void flushbuf()：bufdirty为真，把buf[]中还没有写入磁盘的数据，写入磁盘。  

  16.     private void flushbuf() throws IOException {  

  17.         if (this.bufdirty == true) {  

  18.             if (super.getFilePointer() != this.bufstartpos) {  

  19.                 super.seek(this.bufstartpos);  

  20.             }  

  21.             super.write(this.buf, 0, this.bufusedsize);  

  22.             this.bufdirty = false;  

  23.         }  

  24.     }  

  25. // void seek(long pos)：移动文件指针到pos位置，并把buf[]映射填充至POS所在的文件块。  

  26.     public void seek(long pos) throws IOException {  

  27.         if ((pos < this.bufstartpos) || (pos > this.bufendpos)) { // seek pos not in buf  

  28.             this.flushbuf();  

  29.             if ((pos >= 0) && (pos <= this.fileendpos) && (this.fileendpos != 0)) {   // seek pos in file (file length > 0)  

  30.                   this.bufstartpos =  pos * bufbitlen / bufbitlen;  

  31.                   this.bufusedsize = this.fillbuf();  

  32.             } else if (((pos == 0) && (this.fileendpos == 0)) || (pos == this.fileendpos + 1)) {   // seek pos is append pos  

  33.                 this.bufstartpos = pos;  

  34.                 this.bufusedsize = 0;  

  35.             }  

  36.             this.bufendpos = this.bufstartpos + this.bufsize - 1;  

  37.         }  

  38.         this.curpos = pos;  

  39.     }  

  40. // int fillbuf()：根据bufstartpos，填充buf[]。  

  41.     private int fillbuf() throws IOException {  

  42.         super.seek(this.bufstartpos);  

  43.         this.bufdirty = false;  

  44.         return super.read(this.buf);  

  45.     }  

  46. }  

 

至此缓冲读基本实现，逐字节COPY一个12兆的文件（这里牵涉到读和写，用BufferedRandomAccessFile试一下读的速度）：

 

读 写 耗用时间（秒）
RandomAccessFile RandomAccessFile 95.848
BufferedRandomAccessFile BufferedOutputStream + DataOutputStream 2.813
BufferedInputStream + DataInputStream BufferedOutputStream + DataOutputStream 2.935

 

可见速度显著提升，与BufferedInputStream+DataInputStream不相上下。

 

2．3．实现写缓冲。

 

写缓冲逻辑的基本原理：

  • A欲写文件POS位置的一个字节。

  • B 查BUF中是否有该映射？如有，直接向BUF中写入，并返回true。

  • C若没有，则BUF从新定位到该POS所在的位置，并把该位置附近的 BUFSIZE字节的文件内容填充BUFFER，返回B。

下面给出关键部分代码及其说明：

 

Java代码  收藏代码

  1. // boolean write(byte bw, long pos)：向当前文件POS位置写入字节BW。  

  2. // 根据POS的不一样及BUF的位置：存在修改、追加、BUF中、BUF外等状况。在逻辑判断时，把最可能出现的状况，最早判断，这样可提升速度。  

  3. // fileendpos：指示当前文件的尾偏移地址，主要考虑到追加因素  

  4.     public boolean write(byte bw, long pos) throws IOException {  

  5.         if ((pos >= this.bufstartpos) && (pos <= this.bufendpos)) { // write pos in buf  

  6.             this.buf[(int)(pos - this.bufstartpos)] = bw;  

  7.             this.bufdirty = true;  

  8.             if (pos == this.fileendpos + 1) { // write pos is append pos  

  9.                 this.fileendpos++;  

  10.                 this.bufusedsize++;  

  11.             }  

  12.         } else { // write pos not in buf  

  13.             this.seek(pos);  

  14.             if ((pos >= 0) && (pos <= this.fileendpos) && (this.fileendpos != 0)) { // write pos is modify file  

  15.                 this.buf[(int)(pos - this.bufstartpos)] = bw;  

  16.             } else if (((pos == 0) && (this.fileendpos == 0)) || (pos == this.fileendpos + 1)) { // write pos is append pos  

  17.                 this.buf[0] = bw;  

  18.                 this.fileendpos++;  

  19.                 this.bufusedsize = 1;  

  20.             } else {  

  21.                 throw new IndexOutOfBoundsException();  

  22.             }  

  23.             this.bufdirty = true;  

  24.         }  

  25.         this.curpos = pos;  

  26.         return true;  

  27.     }  

  28.       

 

至此缓冲写基本实现，逐字节COPY一个12兆的文件，（这里牵涉到读和写，结合缓冲读，用BufferedRandomAccessFile试一下读/写的速度）：

 

读 写 耗用时间（秒）
RandomAccessFile RandomAccessFile 95.848
BufferedInputStream + DataInputStream BufferedOutputStream + DataOutputStream 2.935
BufferedRandomAccessFile BufferedOutputStream + DataOutputStream 2.813
BufferedRandomAccessFile BufferedRandomAccessFile 2.453

 

可见综合读/写速度已超越BufferedInput/OutputStream+DataInput/OutputStream。


转载自http://zhang-xiujiao.iteye.com/blog/1150751


优化BufferedRandomAccessFile。

 

优化原则：

  •     调用频繁的语句最须要优化，且优化的效果最明显。

  •     多重嵌套逻辑判断时，最可能出现的判断，应放在最外层。

  •     减小没必要要的NEW。


这里举一典型的例子：

 

Java代码  收藏代码

  1.  public void seek(long pos) throws IOException {  

  2. ...  

  3.        this.bufstartpos =  pos * bufbitlen / bufbitlen; // bufbitlen指buf[]的位长，例：若bufsize=1024，则bufbitlen=10。  

  4.               ...  

  5. }  

 

seek函数使用在各函数中，调用很是频繁，上面加剧的这行语句根据pos和bufsize肯定buf[]对应当前文件的映射位置，用"*"、"/"肯定，显然不是一个好方法。

 

  • 优化一：this.bufstartpos = (pos << bufbitlen) >> bufbitlen;

  • 优化二：this.bufstartpos = pos & bufmask; // this.bufmask = ~((long)this.bufsize - 1);

二者效率都比原来好，但后者显然更好，由于前者须要两次移位运算、后者只需一次逻辑与运算（bufmask能够预先得出）。

至此优化基本实现，逐字节COPY一个12兆的文件，（这里牵涉到读和写，结合缓冲读，用优化后BufferedRandomAccessFile试一下读/写的速度）：

 

读 写 耗用时间（秒）
RandomAccessFile RandomAccessFile 95.848
BufferedInputStream + DataInputStream BufferedOutputStream + DataOutputStream 2.935
BufferedRandomAccessFile BufferedOutputStream + DataOutputStream 2.813
BufferedRandomAccessFile BufferedRandomAccessFile 2.453
BufferedRandomAccessFile优 BufferedRandomAccessFile优 2.197

 

可见优化尽管不明显，仍是比未优化前快了一些，也许这种效果在老式机上会更明显。

以上比较的是顺序存取，即便是随机存取，在绝大多数状况下也不止一个BYTE，因此缓冲机制依然有效。而通常的顺序存取类要实现随机存取就不怎么容易了。


须要完善的地方

 

提供文件追加功能：

 

Java代码  收藏代码

  1. public boolean append(byte bw) throws IOException {  

  2.    return this.write(bw, this.fileendpos + 1);  

  3. }  

 

提供文件当前位置修改功能：

 

Java代码  收藏代码

  1. public boolean write(byte bw) throws IOException {  

  2.    return this.write(bw, this.curpos);  

  3. }  

 

返回文件长度（因为BUF读写的缘由，与原来的RandomAccessFile类有所不一样）：

 

Java代码  收藏代码

  1. public long length() throws IOException {  

  2.    return this.max(this.fileendpos + 1, this.initfilelen);  

  3. }  

 

返回文件当前指针（因为是经过BUF读写的缘由，与原来的RandomAccessFile类有所不一样）：

 

Java代码  收藏代码

  1. public long getFilePointer() throws IOException {  

  2.    return this.curpos;  

  3. }  

 

提供对当前位置的多个字节的缓冲写功能：

 

Java代码  收藏代码

  1. public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {  

  2.         long writeendpos = this.curpos + len - 1;  

  3.         if (writeendpos <= this.bufendpos) { // b[] in cur buf  

  4.             System.arraycopy(b, off, this.buf, (int)(this.curpos - this.bufstartpos), len);  

  5.             this.bufdirty = true;  

  6.             this.bufusedsize = (int)(writeendpos - this.bufstartpos + 1);  

  7.         } else { // b[] not in cur buf  

  8.             super.seek(this.curpos);  

  9.             super.write(b, off, len);  

  10.         }  

  11.         if (writeendpos > this.fileendpos)  

  12.             this.fileendpos = writeendpos;  

  13.         this.seek(writeendpos+1);  

  14. }  

  15. public void write(byte b[]) throws IOException {  

  16.         this.write(b, 0, b.length);  

  17. }  

 

提供对当前位置的多个字节的缓冲读功能：

 

Java代码  收藏代码

  1. public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {  

  2.     long readendpos = this.curpos + len - 1;  

  3.     if (readendpos <= this.bufendpos && readendpos <= this.fileendpos ) { // read in buf  

  4.         System.arraycopy(this.buf, (int)(this.curpos - this.bufstartpos), b, off, len);  

  5.     } else { // read b[] size > buf[]  

  6.     if (readendpos > this.fileendpos) { // read b[] part in file  

  7.         len = (int)(this.length() - this.curpos + 1);  

  8.     }  

  9.        super.seek(this.curpos);  

  10.        len = super.read(b, off, len);  

  11.        readendpos = this.curpos + len - 1;  

  12.    }  

  13.        this.seek(readendpos + 1);  

  14.        return len;  

  15. }  

  16. public int read(byte b[]) throws IOException {  

  17.    return this.read(b, 0, b.length);  

  18. }  

  19. public void setLength(long newLength) throws IOException {  

  20.    if (newLength > 0) {  

  21.        this.fileendpos = newLength - 1;  

  22.    } else {  

  23.        this.fileendpos = 0;  

  24.    }  

  25.    super.setLength(newLength);  

  26. }  

  27.       

  28. public void close() throws IOException {  

  29.    this.flushbuf();  

  30.    super.close();  

  31. }  

 

至此完善工做基本完成，试一下新增的多字节读/写功能，经过同时读/写1024个字节，来COPY一个12兆的文件，（这里牵涉到读和写，用完善后BufferedRandomAccessFile试一下读/写的速度）：

 

读 写 耗用时间（秒）
RandomAccessFile RandomAccessFile 95.848
BufferedInputStream + DataInputStream BufferedOutputStream + DataOutputStream 2.935
BufferedRandomAccessFile BufferedOutputStream + DataOutputStream 2.813
BufferedRandomAccessFile BufferedRandomAccessFile 2.453
BufferedRandomAccessFile优 BufferedRandomAccessFile优 2.197
BufferedRandomAccessFile完 BufferedRandomAccessFile完 0.401


与MappedByteBuffer+RandomAccessFile的对比？

 

JDK1.4+提供了NIO类 ，其中MappedByteBuffer类用于映射缓冲，也能够映射随机文件访问，可见JAVA设计者也看到了RandomAccessFile的问题， 并加以改进。怎么经过MappedByteBuffer+RandomAccessFile拷贝文件呢？下面就是测试程序的主要部分：

 

Java代码  收藏代码

  1. RandomAccessFile rafi = new RandomAccessFile(SrcFile, "r");  

  2. RandomAccessFile rafo = new RandomAccessFile(DesFile, "rw");  

  3. FileChannel fci = rafi.getChannel();  

  4. FileChannel fco = rafo.getChannel();  

  5. long size = fci.size();  

  6. MappedByteBuffer mbbi = fci.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, size);  

  7. MappedByteBuffer mbbo = fco.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, size);  

  8. long start = System.currentTimeMillis();  

  9. for (int i = 0; i < size; i++) {  

  10.     byte b = mbbi.get(i);  

  11.     mbbo.put(i, b);  

  12. }  

  13. fcin.close();  

  14. fcout.close();  

  15. rafi.close();  

  16. rafo.close();  

  17. System.out.println("Spend: "+(double)(System.currentTimeMillis()-start) / 1000 + "s");  

 

试一下JDK1.4的映射缓冲读/写功能，逐字节COPY一个12兆的文件，（这里牵涉到读和写）：

 

读 写 耗用时间（秒）
RandomAccessFile RandomAccessFile 95.848
BufferedInputStream + DataInputStream BufferedOutputStream + DataOutputStream 2.935
BufferedRandomAccessFile BufferedOutputStream + DataOutputStream 2.813
BufferedRandomAccessFile BufferedRandomAccessFile 2.453
BufferedRandomAccessFile优 BufferedRandomAccessFile优 2.197
BufferedRandomAccessFile完 BufferedRandomAccessFile完 0.401
MappedByteBuffer+ RandomAccessFile MappedByteBuffer+ RandomAccessFile 1.209

 

确实不错，看来NIO有了极大的进步。建议采用 MappedByteBuffer+RandomAccessFile的方式。


转载自http://zhang-xiujiao.iteye.com/blog/1150762

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