1. 简介
在Java中进行文件I/O操作时，FileOutputStream和FileChannel是将数据写入文件的两种常用方法。在本教程中，我们将探索它们的功能并了解它们之间的区别。
2. FileOutputStream
FileOutputStream是java.io包的一部分，是将二进制数据写入文件的最简单方法之一。对于简单的写入操作，尤其是对于较小的文件，它是一个很好的选择。它的简单性使其易于用于基本的文件写入任务。
以下代码片段演示了如何使用FileOutputStream将字节数组写入文件：
byte[] data = "This is some data to write".getBytes();
try (FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("output.txt")) {
outputStream.write(data);
} catch (IOException e) {
// ...
}
在此示例中，我们首先创建一个包含要写入的数据的字节数组。接下来，我们初始化一个FileOutputStream对象，并指定文件名“output.txt”，try-with-resources语句确保自动关闭资源，FileOutputStream的write()方法将整个字节数组“data”写入文件。
3. FileChannel
FileChannel是java.nio.channels包的一部分，与FileOutputStream相比，它提供了更高级、更灵活的文件I/O操作。它特别适合处理较大的文件、随机访问和性能关键型应用程序，它使用缓冲区可以实现更高效的数据传输和操作。
以下代码片段演示了如何使用FileChannel将字节数组写入文件：
byte[] data = "This is some data to write".getBytes();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(data);
try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Path.of("output.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE)) {
fileChannel.write(buffer);
} catch (IOException e) {
// ...
}
在此示例中，我们创建一个ByteBuffer并将字节数组数据包装到其中，然后我们使用FileChannel.open()方法初始化FileChannel对象。接下来，我们还指定文件名“output.txt”和必要的打开选项(StandardOpenOption.WRITE和StandardOpenOption.CREATE)。
然后，FileChannel的write()方法将ByteBuffer的内容写入指定的文件。
4. 数据访问
在本节中，让我们深入探讨数据访问方面FileOutputStream和FileChannel之间的区别。
4.1 FileOutputStream
FileOutputStream按顺序写入数据，这意味着它按照给定的顺序从头到尾将字节写入文件，它不支持跳转到文件内的特定位置来读取或写入数据。
以下是使用FileOutputStream按顺序写入数据的示例：
byte[] data1 = "This is the first line.\n".getBytes();
byte[] data2 = "This is the second line.\n".getBytes();
try (FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("output.txt")) {
outputStream.write(data1);
outputStream.write(data2);
} catch (IOException e) {
// ...
}
在此代码中，将首先写入“This is the first line.”，然后在“output.txt”文件的新行中写入“This is the second line.”。如果不从头开始重写所有内容，我们就无法在文件中间写入数据。
4.2 FileChannel
另一方面，FileChannel允许我们在文件中的任何位置读取或写入数据，这是因为FileChannel使用可以移动到文件中的任何位置的文件指针，这是使用position()方法实现的，该方法设置文件中下一次读取或写入发生的位置。
下面的代码片段演示了FileChannel如何将数据写入文件内的特定位置：
ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.wrap(data1);
ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.wrap(data2);
try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Path.of("output.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE)) {
fileChannel.write(buffer1);
fileChannel.position(10);
fileChannel.write(buffer2);
} catch (IOException e) {
// ...
}
在这个例子中，data1写入文件的开头。现在，我们想从位置10开始将data2插入到文件中。因此，我们使用fileChannel.position(10)将位置设置为10，然后从第10个字节开始写入data2。
5. 并发和线程安全
在本节中，我们将探讨FileOutputStream和FileChannel如何处理并发和线程安全。
5.1 FileOutputStream
FileOutputStream内部不处理同步，如果两个线程试图同时写入同一个FileOutputStream，则结果可能是输出文件中的数据交错不可预测，因此我们需要同步来确保线程安全。
下面是使用带有外部同步的FileOutputStream的示例：
final Object lock = new Object();
void writeToFile(String fileName, byte[] data) {
synchronized (lock) {
try (FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(fileName, true)) {
outputStream.write(data);
log.info("Data written by " + Thread.currentThread().getName());
} catch (IOException e) {
// ...
}
}
}
在这个例子中，我们使用一个通用的锁对象来同步对文件的访问，当多个线程顺序地向文件写入数据时，保证了线程安全：
Thread thread1 = new Thread(() -> writeToFile("output.txt", data1));
Thread thread2 = new Thread(() -> writeToFile("output.txt", data2));
thread1.start();
thread2.start();
5.2 FileChannel
相比之下，FileChannel支持文件锁定，允许我们锁定特定的文件部分，以防止其他线程或进程同时访问该数据。
以下是使用FileChannel和FileLock处理并发访问的示例：
void writeToFileWithLock(String fileName, ByteBuffer buffer, int position) {
try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Path.of(fileName), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE)) {
// Acquire an exclusive lock on the file
try (FileLock lock = fileChannel.lock(position, buffer.remaining(), false)) {
fileChannel.position(position);
fileChannel.write(buffer);
log.info("Data written by " + Thread.currentThread().getName() + " at position " + position);
} catch (IOException e) {
// ...
}
} catch (IOException e) {
// ...
}
}
在此示例中，FileLock对象用于确保锁定要写入的文件部分，以防止其他线程同时访问它。当线程调用writeToFileWithLock()时，它首先获取文件特定部分的锁定：
Thread thread1 = new Thread(() -> writeToFileWithLock("output.txt", buffer1, 0));
Thread thread2 = new Thread(() -> writeToFileWithLock("output.txt", buffer2, 20));
thread1.start();
thread2.start();
6. 性能
在本节中，我们将使用JMH比较FileOutputStream和FileChannel的性能，我们将创建一个包含FileOutputStream和FileChannel基准测试的基准类，以评估它们处理大文件的性能：
@Setup
public void setup() {
largeData = new byte[1000 * 1024 * 1024]; // 1 GB of data
Arrays.fill(largeData, (byte) 1);
}
@Benchmark
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
public void testFileOutputStream() {
try (FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("largeOutputStream.txt")) {
outputStream.write(largeData);
} catch (IOException e) {
// ...
}
}
@Benchmark
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
public void testFileChannel() {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(largeData);
try (FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Path.of("largeFileChannel.txt"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE)) {
fileChannel.write(buffer);
} catch (IOException e) {
// ...
}
}
让我们执行基准测试并比较FileOutputStream和FileChannel的性能，结果显示每个操作所需的平均时间(以毫秒为单位)：
Options opt = new OptionsBuilder()
.include(FileIOBenchmark.class.getSimpleName())
.forks(1)
.build();
new Runner(opt).run();
运行基准测试后，我们获得了以下结果：
Benchmark Mode Cnt Score Error Units
FileIOBenchmark.testFileChannel avgt 5 431.414 ± 52.229 ms/op
FileIOBenchmark.testFileOutputStream avgt 5 556.102 ± 91.512 ms/op
FileOutputStream的设计理念是简单易用，然而，在处理具有高频率I/O操作的大型文件时，它可能会带来一些开销。这是因为FileOutputStream操作是阻塞的，这意味着每个写入操作都必须在下一个操作开始之前完成。
另一方面，FileChannel支持内存映射I/O，可以将文件的一部分映射到内存中，这使得数据操作可以直接在内存空间中进行，从而实现更快的传输。
7. 总结
在本文中，我们探讨了两种文件I/O方法：FileOutputStream和FileChannel。FileOutputStream为基本文件写入任务提供了简单性和易用性，非常适合较小的文件和顺序数据写入。
另一方面，FileChannel提供了直接缓冲区访问等高级功能，以便获得大文件的更好性能。
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