《疯狂java讲义》学习(40):内存映射文件

2024-04-17 20:48

本文主要是介绍《疯狂java讲义》学习(40):内存映射文件,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

内存映射文件

内存映射文件不是Java引入的概念,而是操作系统提供的一种功能,大部分操作系统都支持。这里我们介绍内存映射文件的基本用法

基本概念

所谓内存映射文件,就是讲文件映射到内存,文件对应于内存中的一个字节数组,对文件的操作变为对这个字节数组的操作,而字节数组的操作直接映射到文件上。这种映射可以是映射文件全部区域,也可以是映射一部分区域。
不过,这种映射是操作系统提供的一种假象,文件一般不会马上加载到内存,操作系统只是记录下了这回事,当实际发生读写时,才会按需加载。操作系统一般是按页加载,页可以理解为就是一块,页的大小与操作系统和硬件相关,典型的配置可能是4K、8K,当操作系统发现读写区域不在内存时,就会加载该区域对应的一个页到内存。
这种按需加载的方式,使得内存映射文件可以方便高效地处理非常大的文件,内存放不下整个文件也不要紧,操作系统会自动进行处理,将需要的内容读到内存,将修改的内容保存到硬盘,将不再使用的内存释放。
应用程序写的时候,写的是内存中的字节数组,内容同步到文件上的时间不确定,有操作系统决定,不过,只要操作系统不崩溃,操作系统会保证同步到文件上,即使映射这个文件的应用程序已经退出。
在一般的文件读写中,会有两次数据复制,一次是从硬盘复制到操作系统内核,另一次是从操作系统内核复制到用户态的应用程序。而在内存映射文件中,一般情况下,只有一次复制,且内存分配在操作系统内核,应用程序访问的就是操作系统的内核内存空间,这显然要比普通的读写效率更高。
内存映射文件的另一个重要特点是:它可以被多个不同的应用程序共享,多个程序可以映射同一个文件,映射到同一块内存区域,一个程序对内存的修改,可以让其他程序也看到,这使得它特别适合用于不同应用程序之间的通信。
操作系统自身在加载可执行文件的时候,一般都利用了内存映射文件,比如:

  • 按需加载代码,只有当前运行的代码在内存,其他暂时用不到的代码还在硬盘。
  • 同时启动多次同一个可执行文件,文件代码在内存也只有一份。
  • 不同应用程序共享的动态链接库代码在内存也只有一份。

内存映射文件也有局限性。比如,它不太适合处理小文件,它是按页分配内存的,对于小文件,会浪费空间;另外,映射文件要消耗一定的操作系统资源,初始化比较慢。
简单总结下,对于一般的文件读写不需要使用内存映射文件,但如果处理的是大文件,要求极高的读写效率,比如数据库系统,或者需要在不同程序间进行共享和通信,那就可以考虑内存映射文件。

用法

内存映射文件需要通过FileInputStream/FileOutputStream或RandomAccessFile,它们都有一个方法:

public FileChannel getChannel()

FileChannel有如下方法:

public MappedByteBuffer map(MapMode mode, long position, long size) throws IOException

map方法将当前文件映射到内存,映射的结果就是一个MappedByteBuffer对象,它代表内存中的字节数组,待会我们再来详细看它。map有三个参数,mode表示映射模式,position表示映射的起始位置,size表示长度。mode有三个取值:

  • MapMode.READ_ONLY:只读
  • MapMode.READ_WRITE:既读也写
  • MapMode.PRIVATE:是有模式,更改不反应到文件,也不被其他程序看到

这个模式受限于背后的流或RandomAccessFile,比如,对于FileInputStream,或者RandomAccessFile但打开模式是“r”,mode就不能设为MapMode.READ_WRITE,否则会抛出异常。如果映射的区域超过了现有文件的范围,则文件会自动扩展,扩展出的区域字节内容为0。映射完成后,文件就可以关闭了,后续对文件的读写可以通过MappedByteBuffer。看下面代码,读写模式映射文件:

RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("abc.dat", "rw");
try {MappedByteBuffer buf = file.getChannel().map(MapMode.READ_WRITE, 0, file.length());//使用buf...
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}finally{file.close();
}

怎么来使用MappedByteBuffer呢?它是ByteBuffer的子类,而ByteBuffer是Buffer的子类。ByteBuffer和Buffer不只是给内存映射文件提供的,它们是Java NIO中操作数据的一种方式,用于很多地方,方法也比较多,我们只介绍一些主要相关的。
ByteBuffer可以简单理解为封装了一个字节数组,这个字节数组的长度是不可变得,在内存映射文件中,这个长度由map方法中的参数size决定。ByteBuffer有一个基本属性position,表示当前读写位置,这个位置可以改变,相关方法是:

public final int position() //获取当前读写位置
public final Buffer position(int newPosition) //修改当前读写位置

ByteBuffer中有很多基于当前位置读写数据的方法,部分方法如下:

public abstract byte get() //从当前位置获取一个字节
public ByteBuffer get(byte[] dst) //从当前位置复制dst.length长度的字节到dst
public abstract int getInt() //从当前位置读取一个int
public final ByteBuffer put(byte[] src) //将字节数组src写入当前位置
public abstract ByteBuffer putLong(long value); //将value写入当前位置

这些方法在读写后,都会自动增加position。与这些方法相对应的,还有一组方法,可以在参数中直接指定position,比如:

public abstract int getInt(int index) //从index处读取一个int
public abstract double getDouble</

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