花1K內存實現高效I/O的RandomAccessFile類

主體：

目前最流行的J2SDK版本是1.3系列。使用該版本的開發人員需文件隨機存取，就得使用RandomAccessFile類。其I/O性能較之其它經常使用開發語言的同類性能差距甚遠，嚴重影響程序的運行效率。

開發人員迫切須要提升效率，下面分析RandomAccessFile等文件類的源代碼，找出其中的癥結所在，並加以改進優化，建立一個"性/價比"俱佳的隨機文件訪問類BufferedRandomAccessFile。

在改進以前先作一個基本測試：逐字節COPY一個12兆的文件（這裏牽涉到讀和寫）。

讀	寫	耗用時間（秒）
RandomAccessFile	RandomAccessFile	95.848
BufferedInputStream + DataInputStream	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.935

咱們能夠看到二者差距約32倍，RandomAccessFile也太慢了。先看看二者關鍵部分的源代碼，對比分析，找出緣由。

1．1．[RandomAccessFile]

public class RandomAccessFile implements DataOutput, DataInput { public final byte readByte() throws IOException { int ch = this.read(); if (ch < 0) throw new EOFException(); return (byte)(ch); } public native int read() throws IOException; public final void writeByte(int v) throws IOException { write(v); } public native void write(int b) throws IOException; }

可見，RandomAccessFile每讀/寫一個字節就需對磁盤進行一次I/O操做。

1．2．[BufferedInputStream]

public class BufferedInputStream extends FilterInputStream { private static int defaultBufferSize = 2048; protected byte buf[]; // 創建讀緩存區 public BufferedInputStream(InputStream in, int size) { super(in); if (size <= 0) { throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0"); } buf = new byte[size]; } public synchronized int read() throws IOException { ensureOpen(); if (pos >= count) { fill(); if (pos >= count) return -1; } return buf[pos++] & 0xff; // 直接從BUF[]中讀取 } private void fill() throws IOException { if (markpos < 0) pos = 0; /* no mark: throw away the buffer */ else if (pos >= buf.length) /* no room left in buffer */ if (markpos > 0) { /* can throw away early part of the buffer */ int sz = pos - markpos; System.arraycopy(buf, markpos, buf, 0, sz); pos = sz; markpos = 0; } else if (buf.length >= marklimit) { markpos = -1; /* buffer got too big, invalidate mark */ pos = 0; /* drop buffer contents */ } else { /* grow buffer */ int nsz = pos * 2; if (nsz > marklimit) nsz = marklimit; byte nbuf[] = new byte[nsz]; System.arraycopy(buf, 0, nbuf, 0, pos); buf = nbuf; } count = pos; int n = in.read(buf, pos, buf.length - pos); if (n > 0) count = n + pos; } }

1．3．[BufferedOutputStream]

public class BufferedOutputStream extends FilterOutputStream { protected byte buf[]; // 創建寫緩存區 public BufferedOutputStream(OutputStream out, int size) { super(out); if (size <= 0) { throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0"); } buf = new byte[size]; } public synchronized void write(int b) throws IOException { if (count >= buf.length) { flushBuffer(); } buf[count++] = (byte)b; // 直接從BUF[]中讀取 } private void flushBuffer() throws IOException { if (count > 0) { out.write(buf, 0, count); count = 0; } } }

可見，Buffered I/O putStream每讀/寫一個字節，若要操做的數據在BUF中，就直接對內存的buf[]進行讀/寫操做；不然從磁盤相應位置填充buf[]，再直接對內存的buf[]進行讀/寫操做，絕大部分的讀/寫操做是對內存buf[]的操做。

1．3．小結

內存存取時間單位是納秒級（10E-9），磁盤存取時間單位是毫秒級（10E-3）， 一樣操做一次的開銷，內存比磁盤快了百萬倍。理論上能夠預見，即便對內存操做上萬次，花費的時間也遠少對於磁盤一次I/O的開銷。 顯而後者是經過增長位於內存的BUF存取，減小磁盤I/O的開銷，提升存取效率的，固然這樣也增長了BUF控制部分的開銷。從實際應用來看，存取效率提升了32倍。

根據1.3得出的結論，現試着對RandomAccessFile類也加上緩衝讀寫機制。

隨機訪問類與順序類不一樣，前者是經過實現DataInput/DataOutput接口建立的，然後者是擴展FilterInputStream/FilterOutputStream建立的，不能直接照搬。

2．1．開闢緩衝區BUF[默認：1024字節]，用做讀/寫的共用緩衝區。

2．2．先實現讀緩衝。

讀緩衝邏輯的基本原理：

A 欲讀文件POS位置的一個字節。

B 查BUF中是否存在？如有，直接從BUF中讀取，並返回該字符BYTE。

C 若沒有，則BUF從新定位到該POS所在的位置並把該位置附近的BUFSIZE的字節的文件內容填充BUFFER，返回B。

如下給出關鍵部分代碼及其說明：

public class BufferedRandomAccessFile extends RandomAccessFile { // byte read(long pos)：讀取當前文件POS位置所在的字節 // bufstartpos、bufendpos表明BUF映射在當前文件的首/尾偏移地址。 // curpos指當前類文件指針的偏移地址。 public byte read(long pos) throws IOException { if (pos < this.bufstartpos || pos > this.bufendpos ) { this.flushbuf(); this.seek(pos); if ((pos < this.bufstartpos) || (pos > this.bufendpos)) throw new IOException(); } this.curpos = pos; return this.buf[(int)(pos - this.bufstartpos)]; } // void flushbuf()：bufdirty爲真，把buf[]中還沒有寫入磁盤的數據，寫入磁盤。 private void flushbuf() throws IOException { if (this.bufdirty == true) { if (super.getFilePointer() != this.bufstartpos) { super.seek(this.bufstartpos); } super.write(this.buf, 0, this.bufusedsize); this.bufdirty = false; } } // void seek(long pos)：移動文件指針到pos位置，並把buf[]映射填充至POS 所在的文件塊。 public void seek(long pos) throws IOException { if ((pos < this.bufstartpos) || (pos > this.bufendpos)) { // seek pos not in buf this.flushbuf(); if ((pos >= 0) && (pos <= this.fileendpos) && (this.fileendpos != 0)) { // seek pos in file (file length > 0) this.bufstartpos = pos * bufbitlen / bufbitlen; this.bufusedsize = this.fillbuf(); } else if (((pos == 0) && (this.fileendpos == 0)) || (pos == this.fileendpos + 1)) { // seek pos is append pos this.bufstartpos = pos; this.bufusedsize = 0; } this.bufendpos = this.bufstartpos + this.bufsize - 1; } this.curpos = pos; } // int fillbuf()：根據bufstartpos，填充buf[]。 private int fillbuf() throws IOException { super.seek(this.bufstartpos); this.bufdirty = false; return super.read(this.buf); } }

至此緩衝讀基本實現，逐字節COPY一個12兆的文件（這裏牽涉到讀和寫，用BufferedRandomAccessFile試一下讀的速度）：

讀	寫	耗用時間（秒）
RandomAccessFile	RandomAccessFile	95.848
BufferedRandomAccessFile	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.813
BufferedInputStream + DataInputStream	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.935

可見速度顯著提升，與BufferedInputStream+DataInputStream不相上下。

2．3．實現寫緩衝。

寫緩衝邏輯的基本原理：

A欲寫文件POS位置的一個字節。

B 查BUF中是否有該映射？如有，直接向BUF中寫入，並返回true。

C若沒有，則BUF從新定位到該POS所在的位置，並把該位置附近的 BUFSIZE字節的文件內容填充BUFFER，返回B。

下面給出關鍵部分代碼及其說明：

// boolean write(byte bw, long pos)：向當前文件POS位置寫入字節BW。 // 根據POS的不一樣及BUF的位置：存在修改、追加、BUF中、BUF外等情 況。在邏輯判斷時，把最可能出現的狀況，最早判斷，這樣可提升速度。 // fileendpos：指示當前文件的尾偏移地址，主要考慮到追加因素 public boolean write(byte bw, long pos) throws IOException { if ((pos >= this.bufstartpos) && (pos <= this.bufendpos)) { // write pos in buf this.buf[(int)(pos - this.bufstartpos)] = bw; this.bufdirty = true; if (pos == this.fileendpos + 1) { // write pos is append pos this.fileendpos++; this.bufusedsize++; } } else { // write pos not in buf this.seek(pos); if ((pos >= 0) && (pos <= this.fileendpos) && (this.fileendpos != 0)) { // write pos is modify file this.buf[(int)(pos - this.bufstartpos)] = bw; } else if (((pos == 0) && (this.fileendpos == 0)) || (pos == this.fileendpos + 1)) { // write pos is append pos this.buf[0] = bw; this.fileendpos++; this.bufusedsize = 1; } else { throw new IndexOutOfBoundsException(); } this.bufdirty = true; } this.curpos = pos; return true; }

至此緩衝寫基本實現，逐字節COPY一個12兆的文件，（這裏牽涉到讀和寫，結合緩衝讀，用BufferedRandomAccessFile試一下讀/寫的速度）：

讀	寫	耗用時間（秒）
RandomAccessFile	RandomAccessFile	95.848
BufferedInputStream + DataInputStream	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.935
BufferedRandomAccessFile	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.813
BufferedRandomAccessFile	BufferedRandomAccessFile	2.453

可見綜合讀/寫速度已超越BufferedInput/OutputStream+DataInput/OutputStream。

優化BufferedRandomAccessFile。

優化原則：

• 調用頻繁的語句最須要優化，且優化的效果最明顯。
• 多重嵌套邏輯判斷時，最可能出現的判斷，應放在最外層。
• 減小沒必要要的NEW。

這裏舉一典型的例子：

public void seek(long pos) throws IOException { ... this.bufstartpos = pos * bufbitlen / bufbitlen; // bufbitlen指buf[]的位長，例：若bufsize=1024，則bufbitlen=10。 ... }

seek函數使用在各函數中，調用很是頻繁，上面加劇的這行語句根據pos和bufsize肯定buf[]對應當前文件的映射位置，用"*"、"/"肯定，顯然不是一個好方法。

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

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

二者效率都比原來好，但後者顯然更好，由於前者須要兩次移位運算、後者只需一次邏輯與運算（bufmask能夠預先得出）。

至此優化基本實現，逐字節COPY一個12兆的文件，（這裏牽涉到讀和寫，結合緩衝讀，用優化後BufferedRandomAccessFile試一下讀/寫的速度）：

讀	寫	耗用時間（秒）
RandomAccessFile	RandomAccessFile	95.848
BufferedInputStream + DataInputStream	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.935
BufferedRandomAccessFile	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.813
BufferedRandomAccessFile	BufferedRandomAccessFile	2.453
BufferedRandomAccessFile優	BufferedRandomAccessFile優	2.197

可見優化儘管不明顯，仍是比未優化前快了一些，也許這種效果在老式機上會更明顯。

以上比較的是順序存取，即便是隨機存取，在絕大多數狀況下也不止一個BYTE，因此緩衝機制依然有效。而通常的順序存取類要實現隨機存取就不怎麼容易了。

須要完善的地方

提供文件追加功能：

public boolean append(byte bw) throws IOException { return this.write(bw, this.fileendpos + 1); }

提供文件當前位置修改功能：

public boolean write(byte bw) throws IOException { return this.write(bw, this.curpos); }

返回文件長度（因爲BUF讀寫的緣由，與原來的RandomAccessFile類有所不一樣）：

public long length() throws IOException { return this.max(this.fileendpos + 1, this.initfilelen); }

返回文件當前指針（因爲是經過BUF讀寫的緣由，與原來的RandomAccessFile類有所不一樣）：

public long getFilePointer() throws IOException { return this.curpos; }

提供對當前位置的多個字節的緩衝寫功能：

public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException { long writeendpos = this.curpos + len - 1; if (writeendpos <= this.bufendpos) { // b[] in cur buf System.arraycopy(b, off, this.buf, (int)(this.curpos - this.bufstartpos), len); this.bufdirty = true; this.bufusedsize = (int)(writeendpos - this.bufstartpos + 1); } else { // b[] not in cur buf super.seek(this.curpos); super.write(b, off, len); } if (writeendpos > this.fileendpos) this.fileendpos = writeendpos; this.seek(writeendpos+1); } public void write(byte b[]) throws IOException { this.write(b, 0, b.length); }

提供對當前位置的多個字節的緩衝讀功能：

public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException { long readendpos = this.curpos + len - 1; if (readendpos <= this.bufendpos && readendpos <= this.fileendpos ) { // read in buf System.arraycopy(this.buf, (int)(this.curpos - this.bufstartpos), b, off, len); } else { // read b[] size > buf[] if (readendpos > this.fileendpos) { // read b[] part in file len = (int)(this.length() - this.curpos + 1); } super.seek(this.curpos); len = super.read(b, off, len); readendpos = this.curpos + len - 1; } this.seek(readendpos + 1); return len; } public int read(byte b[]) throws IOException { return this.read(b, 0, b.length); } public void setLength(long newLength) throws IOException { if (newLength > 0) { this.fileendpos = newLength - 1; } else { this.fileendpos = 0; } super.setLength(newLength); } public void close() throws IOException { this.flushbuf(); super.close(); }

至此完善工做基本完成，試一下新增的多字節讀/寫功能，經過同時讀/寫1024個字節，來COPY一個12兆的文件，（這裏牽涉到讀和寫，用完善後BufferedRandomAccessFile試一下讀/寫的速度）：

讀	寫	耗用時間（秒）
RandomAccessFile	RandomAccessFile	95.848
BufferedInputStream + DataInputStream	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.935
BufferedRandomAccessFile	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.813
BufferedRandomAccessFile	BufferedRandomAccessFile	2.453
BufferedRandomAccessFile優	BufferedRandomAccessFile優	2.197
BufferedRandomAccessFile完	BufferedRandomAccessFile完	0.401

與JDK1.4新類MappedByteBuffer+RandomAccessFile的對比？

JDK1.4提供了NIO類 ，其中MappedByteBuffer類用於映射緩衝，也能夠映射隨機文件訪問，可見JAVA設計者也看到了RandomAccessFile的問題，並加以改進。怎麼經過MappedByteBuffer+RandomAccessFile拷貝文件呢？下面就是測試程序的主要部分：

RandomAccessFile rafi = new RandomAccessFile(SrcFile, "r"); RandomAccessFile rafo = new RandomAccessFile(DesFile, "rw"); FileChannel fci = rafi.getChannel(); FileChannel fco = rafo.getChannel(); long size = fci.size(); MappedByteBuffer mbbi = fci.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, size); MappedByteBuffer mbbo = fco.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, size); long start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < size; i++) { byte b = mbbi.get(i); mbbo.put(i, b); } fcin.close(); fcout.close(); rafi.close(); rafo.close(); System.out.println("Spend: "+(double)(System.currentTimeMillis()-start) / 1000 + "s");

試一下JDK1.4的映射緩衝讀/寫功能，逐字節COPY一個12兆的文件，（這裏牽涉到讀和寫）：

讀	寫	耗用時間（秒）
RandomAccessFile	RandomAccessFile	95.848
BufferedInputStream + DataInputStream	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.935
BufferedRandomAccessFile	BufferedOutputStream + DataOutputStream	2.813
BufferedRandomAccessFile	BufferedRandomAccessFile	2.453
BufferedRandomAccessFile優	BufferedRandomAccessFile優	2.197
BufferedRandomAccessFile完	BufferedRandomAccessFile完	0.401
MappedByteBuffer+ RandomAccessFile	MappedByteBuffer+ RandomAccessFile	1.209

確實不錯，看來JDK1.4比1.3有了極大的進步。若是之後採用1.4版本開發軟件時，須要對文件進行隨機訪問，建議採用MappedByteBuffer+RandomAccessFile的方式。但鑑於目前採用JDK1.3及之前的版本開發的程序佔絕大多數的實際狀況，若是您開發的JAVA程序使用了RandomAccessFile類來隨機訪問文件，並因其性能不佳，而擔憂遭用戶詬病，請試用本文所提供的BufferedRandomAccessFile類，沒必要推翻重寫，只需IMPORT 本類，把全部的RandomAccessFile改成BufferedRandomAccessFile，您的程序的性能將獲得極大的提高，您所要作的就這麼簡單。