java nio FileChannel堆内堆外数据读写全流程分析及使用(附详细流程图)

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背景

java nio中文件读写不管是普通文件读写，还是基于mmap实现零拷贝，都离不开FileChannel这个类。

随便打开RocketMQ 源码搜索FileChannel

就可以看到使用频率

kafka也是

所以在java中文件读写FileChannel尤为重用

java文件读写全流程

这里说的仅仅是FileChannel基于堆内存(HeapByteBuffer)的文件读写。

如果是mmap或者堆外内存，可能有些步骤会省略，相当于有一些优化

1. FileChannel调用read，将HeapByteBuffer拷贝到DirectByteBuffer
2. JVM在native层使用read系统调用进行文件读取, 这里需要进行上下文切换，从用户态进入内核态
3. JVM 进程进入虚拟文件系统层,查看文件数据再page cache是否缓存，如果有则直接从page cache读取并返回到DirectByteBuffer
4. 如果请求文件数据不在page caceh，则进入文件系统。通过块驱动设备进行真正的IO，并进行文件预读，比如读取的文件可能只有1-10，但是会将1-20都读取
5. 磁盘控制器DMA将磁盘中的数据拷贝到page cache中。这里发生了一次数据拷贝(非CPU拷贝)
6. CPU将page cache数据拷贝到DirectByteBuffer，因为page cache属于内核空间，JVM进程无法直接寻址。这里是发生第二次数据拷贝
7. JVM进程从内核态切换回用户态，这里如果使用的是堆内存(HeapByteBuffer),实际还需要将堆外内存DirectByteBuffer拷贝到堆内存(HeapByteBuffer)

FileChannel读写文件(非MMAP)

public static void main(String[] args) {String filename = "小奏技术.txt";String content = "Hello, 小奏技术.";// 写入文件writeFile(filename, content);// 读取文件System.out.println("Reading from file:");readFile(filename);}public static void writeFile(String filename, String content) {// 创建文件对象File file = new File(filename);// 确保文件存在if (!file.exists()) {try {boolean created = file.createNewFile();if (!created) {System.err.println("Unable to create file: " + filename);return;}} catch (Exception e) {System.err.println("An error occurred while creating the file: " + e.getMessage());return;}}// 使用FileChannel写入文件try (RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(file, "rw");FileChannel fileChannel = randomAccessFile.getChannel()) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(content.getBytes().length);buffer.put(content.getBytes());buffer.flip(); // 切换到读模式while (buffer.hasRemaining()) {fileChannel.write(buffer);}} catch (Exception e) {System.err.println("An error occurred while writing to the file: " + e.getMessage());}}public static void readFile(String filename) {// 使用FileChannel读取文件try (RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(filename, "r");FileChannel fileChannel = randomAccessFile.getChannel()) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate((int) fileChannel.size());while (fileChannel.read(buffer) > 0) {// Do nothing, just read}// 切换到读模式buffer.flip(); /* while (buffer.hasRemaining()) {System.out.print((char) buffer.get());}*/Charset charset = StandardCharsets.UTF_8; String fileContent = charset.decode(buffer).toString();System.out.print(fileContent);} catch (Exception e) {System.err.println("An error occurred while reading the file: " + e.getMessage());}}

这里需要注意的一个细节
我们分配的内存的方式是

ByteBuffer.allocate()

这里我们可以进入看看源码

实际构造的是HeapByteBuffer，也就是JVM的堆内存

如果我们使用

ByteBuffer.allocateDirect()

则构造的是堆外内存DirectByteBuffer

HeapByteBuffer和DirectByteBuffer文件读写区别

我们看看FileChannel read方法

发现IO相关的处理被封装在IOUtil

我们继续看看IOUtil的write方法

可以看到如果是DirectBuffer则可以直接写

如果是HeapByteBuffer则需要转换为DirectByteBuffer

为什么要在DirectByteBuffer做一层转换

主要是HeapByteBuffer受JVM管理，也就是会受到GC影响

如果在进行native调用的时候发生了GC，会导致HeapByteBuffer的内容出现错误

具体详细的说明可以看看这篇MappedByteBuffer VS FileChannel：从内核层面对比两者的性能差异

讲解的非常清晰

参考

• MappedByteBuffer VS FileChannel：从内核层面对比两者的性能差异