花1K內存實現高效I/O的RandomAccessFile類

通過擴展RandomAccessFile類使之具備Buffer改善I/O性能

崔志翔 ([email protected]), 上海頤東網絡信息有限公司產品部經理

簡介： JAVA的文件隨機存取類（RandomAccessFile）的I/O效率較低。通過分析其中原因，提出解決方案。逐步展示如何創建具備緩存讀寫能力的文件隨機存取類，並進行了優化。通過與其它文件訪問類的性能對比，證明了其實用價值。

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性能較之其它常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。

開發人員迫切需要提高效率，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，創建一個"性/價比"俱佳的隨機文件訪問類BufferedRandomAccessFile。

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在改進之前先做一個基本測試：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

我們可以看到兩者差距約32倍，RandomAccessFile也太慢了。先看看兩者關鍵部分的源代碼，對比分析，找出原因。

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操作。

1．2．[BufferedInputStream]

public class BufferedInputStream extends FilterInputStream {
	private static int defaultBufferSize = 2048; 
	protected byte buf[]; // 建立讀緩存區
	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[]; // 建立寫緩存區
   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，若要操作的數據在BUF中，就直接對內存的buf[]進行讀/寫操作；否則從磁盤相應位置填充buf[]，再直接對內存的buf[]進行讀/寫操作，絕大部分的讀/寫操作是對內存buf[]的操作。

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），同樣操作一次的開銷，內存比磁盤快了百萬倍。理論上可以預見，即使對內存操作上萬次，花費的時間也遠少對於磁盤一次I/O的開銷。顯然後者是通過增加位於內存的BUF存取，減少磁盤I/O的開銷，提高存取效率的，當然這樣也增加了BUF控制部分的開銷。從實際應用來看，存取效率提高了32倍。

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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同，前者是通過實現DataInput/DataOutput接口創建的，而後者是擴展FilterInputStream/FilterOutputStream創建的，不能直接照搬。

2．1．開闢緩衝區BUF[默認：1024字節]，用作讀/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？若有，直接從BUF中讀取，並返回該字符BYTE。

C 若沒有，則BUF重新定位到該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。

以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代表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[]中尚未寫入磁盤的數據，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

可見速度顯著提高，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？若有，直接向BUF中寫入，並返回true。

C若沒有，則BUF重新定位到該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的不同及BUF的位置：存在修改、追加、BUF中、BUF外等情
況。在邏輯判斷時，把最可能出現的情況，最先判斷，這樣可提高速度。
// 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。

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優化BufferedRandomAccessFile。

優化原則：

調用頻繁的語句最需要優化，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。
減少不必要的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，調用非常頻繁，上面加重的這行語句根據pos和bufsize確定buf[]對應當前文件的映射位置，用"*"、"/"確定，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);

兩者效率都比原來好，但後者顯然更好，因爲前者需要兩次移位運算、後者只需一次邏輯與運算（bufmask可以預先得出）。

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，還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，即使是隨機存取，在絕大多數情況下也不止一個BYTE，所以緩衝機制依然有效。而一般的順序存取類要實現隨機存取就不怎麼容易了。

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需要完善的地方

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（由於BUF讀寫的原因，與原來的RandomAccessFile類有所不同）：

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

返回文件當前指針（由於是通過BUF讀寫的原因，與原來的RandomAccessFile類有所不同）：

    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();
   	}

至此完善工作基本完成，試一下新增的多字節讀/寫功能，通過同時讀/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

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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，也可以映射隨機文件訪問，可見JAVA設計者也看到了RandomAccessFile的問題，並加以改進。怎麼通過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。如果以後採用1.4版本開發軟件時，需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及以前的版本開發的程序佔絕大多數的實際情況，如果您開發的JAVA程序使用了RandomAccessFile類來隨機訪問文件，並因其性能不佳，而擔心遭用戶詬病，請試用本文所提供的BufferedRandomAccessFile類，不必推翻重寫，只需IMPORT 本類，把所有的RandomAccessFile改爲BufferedRandomAccessFile，您的程序的性能將得到極大的提升，您所要做的就這麼簡單。

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未來的考慮

讀者可在此基礎上建立多頁緩存及緩存淘汰機制，以應付對隨機訪問強度大的應用。

參考資料

SUN JDK1.3/1.4 SRC。

源代碼

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