花1K内存实现高效I/O的RandomAccessFile类

花1K内存实现高效I/O的RandomAccessFile类

2002 年 11 月 18 日

JAVA的文件随机存取类（RandomAccessFile）的I/O效率较低。通过分析其中原因，提出解决方案。逐步展示如何创建具备缓存读写能力的文件随机存取类，并进行了优化。通过与其它文件访问类的性能对比，证明了其实用价值。

主体：

目前最流行的J2SDK版本是1.3系列。使用该版本的开发人员需文件随机存取，就得使用RandomAccessFile类。其I/O性能较之其它常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。

开发人员迫切需要提高效率，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，创建一个"性/价比"俱佳的随机文件访问类BufferedRandomAccessFile。

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在改进之前先做一个基本测试：逐字节COPY一个12兆的文件（这里牵涉到读和写）。

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

我们可以看到两者差距约32倍，RandomAccessFile也太慢了。先看看两者关键部分的源代码，对比分析，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; 
}

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

1．2．[BufferedInputStream]

public class BufferedInputStream extends FilterInputStream {
	private static int defaultBufferSize = 2048; 
	protected byte buf[]; // 建立读缓存区
	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; // 直接从BUF[]中读取
	} 
	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[]; // 建立写缓存区
   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; // 直接从BUF[]中读取
   }
   private void flushBuffer() throws IOException {
		if (count > 0) {
			out.write(buf, 0, count);
			count = 0;
		}
   }
}

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

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）， 同样操作一次的开销，内存比磁盘快了百万倍。理论上可以预见，即使对内存操作上万次，花费的时间也远少对于磁盘一次I/O的开销。 显然后者是通过增加位于内存的BUF存取，减少磁盘I/O的开销，提高存取效率的，当然这样也增加了BUF控制部分的开销。从实际应用来看，存取效率提高 了32倍。

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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同，前者是通过实现DataInput/DataOutput接口创建的，而后者是扩展FilterInputStream/FilterOutputStream创建的，不能直接照搬。

2．1．开辟缓冲区BUF[默认：1024字节]，用作读/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？若有，直接从BUF中读取，并返回该字符BYTE。

C 若没有，则BUF重新定位到该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。

以下给出关键部分代码及其说明：

public class BufferedRandomAccessFile extends RandomAccessFile {
//  byte read(long pos)：读取当前文件POS位置所在的字节
//  bufstartpos、bufendpos代表BUF映射在当前文件的首/尾偏移地址。
//  curpos指当前类文件指针的偏移地址。
    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为真，把buf[]中尚未写入磁盘的数据，写入磁盘。
    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)：移动文件指针到pos位置，并把buf[]映射填充至POS
所在的文件块。
    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()：根据bufstartpos，填充buf[]。
    private int fillbuf() throws IOException {
        super.seek(this.bufstartpos);
        this.bufdirty = false;
        return super.read(this.buf);
    }
}

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

可见速度显著提高，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？若有，直接向BUF中写入，并返回true。

C若没有，则BUF重新定位到该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：

// boolean write(byte bw, long pos)：向当前文件POS位置写入字节BW。
// 根据POS的不同及BUF的位置：存在修改、追加、BUF中、BUF外等情
况。在逻辑判断时，把最可能出现的情况，最先判断，这样可提高速度。
// fileendpos：指示当前文件的尾偏移地址，主要考虑到追加因素
    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。

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优化BufferedRandomAccessFile。

优化原则：

• 调用频繁的语句最需要优化，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。
• 减少不必要的NEW。

这里举一典型的例子：

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

seek函数使用在各函数中，调用非常频繁，上面加重的这行语句根据pos和bufsize确定buf[]对应当前文件的映射位置，用"*"、"/"确定，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);

两者效率都比原来好，但后者显然更好，因为前者需要两次移位运算、后者只需一次逻辑与运算（bufmask可以预先得出）。

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，还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，即使是随机存取，在绝大多数情况下也不止一个BYTE，所以缓冲机制依然有效。而一般的顺序存取类要实现随机存取就不怎么容易了。

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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);
    }

提供文件当前位置修改功能：

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

返回文件长度（由于BUF读写的原因，与原来的RandomAccessFile类有所不同）：

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

返回文件当前指针（由于是通过BUF读写的原因，与原来的RandomAccessFile类有所不同）：

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

提供对当前位置的多个字节的缓冲写功能：

    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);
    }

提供对当前位置的多个字节的缓冲读功能：

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，试一下新增的多字节读/写功能，通过同时读/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

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与JDK1.4新类MappedByteBuffer+RandomAccessFile的对比？

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

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");

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JDK1.4比1.3有了极大的进步。如果以后采用1.4版本开发软件时，需要对文件进行随机访问，建议采用 MappedByteBuffer+RandomAccessFile的方式。但鉴于目前采用JDK1.3及以前的版本开发的程序占绝大多数的实际情况， 如果您开发的JAVA程序使用了RandomAccessFile类来随机访问文件，并因其性能不佳，而担心遭用户诟病，请试用本文所提供的 BufferedRandomAccessFile类，不必推翻重写，只需IMPORT 本类，把所有的RandomAccessFile改为BufferedRandomAccessFile，您的程序的性能将得到极大的提升，您所要做的就 这么简单。

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未来的考虑

读者可在此基础上建立多页缓存及缓存淘汰机制，以应付对随机访问强度大的应用。