Java多线程和IO流的应用

Java多线程和流的应用

最近看到了一个例子，是使用多线程的方式下载文件，感觉很有趣，探索了一下，并且尝试了使用多线程进行本地复制文件。写完之后，发现了这两个其实很相似，无论是本地文件复制，还是网络多线程下载，对于流的使用都是一样的。对于本地文件系统来说，输入流就是从本地文件系统的一个文件来获取，对于网络资源来说，是从远处服务器上的一个文件来获取。 注： 虽然这个多线程下载的代码，很多人都写过了，不过应该不是所有人都能理解吧，我这里就再写一遍，哈。

使用多线程的一个显而易见的好处就是：利用空闲的 CPU，加快速度。 但是注意不是线程越多越好，虽然好像n个线程一起下载，每个线程下载一小部分，下载时间就会变为1/n 了。这是很浅显的认识，就好像一个人盖一个房子需要100天，难道10000个人，只需要1/10 天一样了？（这是一个夸张的说法，哈哈！）线程之间的切换也是需要系统开销的，线程的数目还是要控制在一个合理的范围内才行。

RamdomAccessFile

这个类比较独特，它即可以从文件中读取数据，也可以向文件中写入数据。但是它不是 OutputStream 和 InputStream 的子类，它是实现了这两个接口 DataOutput 、DataInput 的一个类。

API 中的介绍：

该类的实例支持读取和写入随机访问文件。 随机访问文件的行为类似于存储在文件系统中的大量字节。 有一种游标，或索引到隐含的数组，称为文件指针 ; 输入操作读取从文件指针开始的字节，并使文件指针超过读取的字节。 如果在读/写模式下创建随机访问文件，则输出操作也可用; 输出操作从文件指针开始写入字节，并将文件指针提前到写入的字节。 写入隐式数组的当前端的输出操作会导致扩展数组。 文件指针可以通过读取getFilePointer方法和由设置seek方法。

所以，这个类最重要的就是 seek 方法了，使用 seek 方法，可以控制写入的位置，所以实现多线程就容易的多了。因此，无论是本地文件复制，还是网络多线程下载都需要这个类的作用。

具体思路是：
首先使用 RandomAccessFile 创建一个 File 对象，然后设置这个文件的大小。（对的，它可以直接设置文件的大小。）将这个文件设置成和要复制或下载的文件一样的。（虽然我们并没有向这个文件中写入数据，但是这个文件已经创建了。）将文件分为若干部分，使用线程复制或者下载每一部分的内容。这有点类似文件的覆盖，如果一个已经存在的文件，从这个文件的头部开始写入数据，一直写到文件的尾部，那么原来的文件就不存在了，变成了写入的新文件。

设置文件大小：

	private static void createOutputFile(File file, long length) throws IOException {
		try (   
			RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw")){
			raf.setLength(length);
		}
	}

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用图片来说明：
这个图表示一个 8191 字节大小的文件：
每一个部分大小是：8191 / 4 = 2047字节

将这个文件的分为四个部分，每一个部分使用一个线程进行复制或下载，其中每一个箭头代表一个线程的开始下载位置。我特意将最后一个部分，没有设置为 1024 byte，这是因为文件很少是正好能被 1024 byte 整除的。（之所以使用 1024 byte，是因为我每次会读取 1024 byte，如果读取到 1024 byte的话， 否则写入读取到的相应字节数）。按照这个示意图，每一个线程下载 2047 byte，那么总共下载的字节数是：2047 * 4 = 8188 字节 < 8191 字节（文件的总大小）
所以这就产生了一个问题，下载的字节数少于总字节数，这就是问题了，所以必须要下载的字节数大于总字节数才行。（多了没有关系，因为多下载的部分，会被后面的给覆盖掉，不会产生了问题。）

所以每个部分的大小应该是：8191 / 4 + 1 = 2048 字节。（这样四部分的大小相加是超过总大小的，不会发生数据的丢失问题。）

所以，这里这个加 1 是很有必要的。

long size = len / FileCopyUtil.THREAD_NUM + 1;

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每个线程下载完成的位置（右边）
每个线程，只复制下载自己的那部分，所以不需要全部下载完所有的内容，所以读取文件数据并写入文件的部分，会多加一个判断。

这里增加一个计数器：curlen。它表示是当前复制或者下载的长度，然后每次读取后和 size（每部分的大小）进行比较，如果 curlen 大于 size 就表示相应的部分下载完成了（当然了，这些都要在数据没有读取完的条件下判断）。

try (
		BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(targetFile));
		RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(outputFile, "rw")){
		bis.skip(position);  
		raf.seek(position);  
		int hasRead = 0;
		byte[] b = new byte[1024];
		long curlen = 0;
		while(curlen < size && (hasRead = bis.read(b)) != -1) {
			raf.write(b, 0, hasRead);
			curlen += (long)hasRead;
		}
		System.out.println(n+" "+position+" "+curlen+" "+size);
	} catch (IOException e) {
		e.printStackTrace();
}

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还有需要注意的是，每个线程下载的时候都要：
1. 输出流设置文件指针的位置。
2. 输入流跳过不需要读取的字节。

这是很重要的一步，应该是很好理解的。

		bis.skip(position);  
		raf.seek(position);  

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多线程本地文件复制（完整代码）

package dragon;

import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;

/**
 * 用于进行文件复制，但不是常规的文件复制 。
 * 准备仿照疯狂Java，写一个多线程的文件复制工具。
 * 即可以本地复制和网络复制
 * */

/**
 * 设计思路：
 * 获取目标文件的大小，然后设置复制文件的大小（这样做是有好处的），
 * 然后使用将文件分为 n 分，使用 n 个线程同时进行复制（这里我将 n 取为 4）。
 * 
 * 可以进一步拓展：
 * 加强为断点复制功能，即程序中断以后，
 * 仍然可以继续从上次位置恢复复制，减少不必要的重复开销
 * */

public class FileCopyUtil {
	//设置一个常量，复制线程的数量
	private static final int THREAD_NUM = 4;
	
	private FileCopyUtil() {}
	
	/**
	 * @param targetPath 目标文件的路径
	 * @param outputPath 复制输出文件的路径
	 * @throws IOException 
	 * */
	public static void transferFile(String targetPath, String outputPath) throws IOException {
		File targetFile = new File(targetPath);
		File outputFilePath = new File(outputPath);
		if (!targetFile.exists() || targetFile.isDirectory()) {   //目标文件不存在，或者是一个文件夹，则抛出异常
			throw new FileNotFoundException("目标文件不存在："+targetPath);
		}
		if (!outputFilePath.exists()) {     //如果输出文件夹不存在，将会尝试创建，创建失败，则抛出异常。
			if(!outputFilePath.mkdir()) {
				throw new FileNotFoundException("无法创建输出文件："+outputPath);
			}
		}
		
		long len = targetFile.length();
		
		File outputFile = new File(outputFilePath, "copy"+targetFile.getName());
		createOutputFile(outputFile, len);    //创建输出文件，设置好大小。
		
		long[] position = new long[4];
		//每一个线程需要复制文件的起点
		long size = len / FileCopyUtil.THREAD_NUM + 1;
		for (int i = 0; i < FileCopyUtil.THREAD_NUM; i++) {
			position[i] = i*size;
			copyThread(i, position[i], size, targetFile, outputFile);
		}
	}
	
	//创建输出文件，设置好大小。
	private static void createOutputFile(File file, long length) throws IOException {
		try (   
			RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw")){
			raf.setLength(length);
		}
	}
	
	private static void copyThread(int i, long position, long size, File targetFile, File outputFile) {
		int n = i;   //Lambda 表达式的限制，无法使用变量。
		new Thread(()->{
			try (
				BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(targetFile));
				RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(outputFile, "rw")){
				bis.skip(position);  //跳过不需要读取的字节数，注意只能先后跳
				raf.seek(position);  //跳到需要写入的位置，没有这句话，会出错，但是很难改。
				int hasRead = 0;
				byte[] b = new byte[1024];
				/**
				 * 注意，每个线程只是读取一部分数据，不能只以 -1 作为循环结束的条件
				 * 循环退出条件应该是两个，即写入的字节数大于需要读取的字节数 或者 文件读取结束（最后一个线程读取到文件末尾）
				 */
				long curlen = 0;
				while(curlen < size && (hasRead = bis.read(b)) != -1) {
					raf.write(b, 0, hasRead);
					curlen += (long)hasRead;
				}
				System.out.println(n+" "+position+" "+curlen+" "+size);
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}).start(); 
	}
}

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多线程网络下载（完整代码）

package dragon;

import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.net.URL;
import java.net.URLConnection;

/*
 * 多线程下载文件：
 * 通过一个 URL 获取文件输入流，使用多线程技术下载这个文件。
 * */
public class FileDownloadUtil {
	//下载线程数
	private static final int THREAD_NUM = 4;
	
	/**
	 * @param url 资源位置
	 * @param output 输出路径
	 * @throws IOException 
	 * */
	public static void transferFile(String url, String output) throws IOException {
		init(output);
		URL resource = new URL(url);
		URLConnection connection = resource.openConnection();
		
		//获取文件类型
		String type = connection.getContentType();
		if (type != null) {
			type = "."+type.split("/")[1];
		} else {
			type = "";
		}
		
		//创建文件，并设置长度。
		long len = connection.getContentLength();
		String filename = System.currentTimeMillis()+type;
		try (RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(new File(output, filename), "rw")){
			raf.setLength(len);
		}
		
		//为每一个线程分配相应的下载其实位置
		long size = len / THREAD_NUM + 1;  
		long[] position = new long[THREAD_NUM];

		File downloadFile = new File(output, filename);
		//开始下载文件: 4个线程
		download(url, downloadFile, position, size);
	}
	
	private static void download(String url, File file, long[] position, long size) throws IOException {
		//开始下载文件: 4个线程
		for (int i = 0 ; i < THREAD_NUM; i++) {
			position[i] = i * size;   //每一个线程下载的起始位置
			int n = i;  // Lambda 表达式的限制，无法使用变量
			new Thread(()->{
				URL resource = null;
				URLConnection connection = null;
				try {
					resource = new URL(url);
					connection = resource.openConnection();
				} catch (IOException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				
				try (
					BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(connection.getInputStream());
					RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw")){  //每个流一旦关闭，就不能打开了
					raf.seek(position[n]);     //跳到需要下载的位置
					bis.skip(position[n]);   //跳过不需要下载的部分
					
					int hasRead = 0;
					byte[] b = new byte[1024];	
					long curlen = 0;
					while(curlen < size && (hasRead = bis.read(b)) != -1) {
						raf.write(b, 0, hasRead); 
						curlen += (long)hasRead;
					}
					System.out.println(n+" "+position[n]+" "+curlen+" "+size);
				} catch (FileNotFoundException e) {
					e.printStackTrace();
				} catch (IOException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}) .start();
		}
	}
	
	private static void init(String output) throws FileNotFoundException {
		File path = new File(output);
		if (!path.exists()) {
			if (!path.mkdirs()) {
				throw new FileNotFoundException("无法创建输出路径："+output);
			}
		} else if (path.isFile()) {
			throw new FileNotFoundException("输出路径不是一个目录："+output);
		}
	}	
}

测试代码及结果

因为这个多线程文件复制和多线程下载是很相似的，所以就放在一起测试了。我也想将两个写在一个类里面，这样可以做成方法的重载调用。
文件复制的第一个参数可以是 String 或者 URI。
使用这个作为目标文件的参数。

public File(URI uri)

网络文件下载的第一个参数，可以使用 String 或者是 URL。
不过，因为先写的这个文件复制，后写的多线程下载，就没有做这部分。不过现在这样功能也达到了，可以进行本地文件的复制（多线程）和网络文件的下载（多线程）。

package dragon;

import java.io.IOException;

public class FileCopyTest {
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		//复制文件
		long start = System.currentTimeMillis();
		try {
			FileCopyUtil.transferFile("D:\\DB\\download\\timg.jfif", "D:\\DBC");
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		
		long time = System.currentTimeMillis()-start;
		System.out.println("time: "+time);
		
		//下载文件
		start = System.currentTimeMillis();
		FileDownloadUtil.transferFile("https://timgsa.baidu.com/timg?image&quality=80&size=b9999_10000&sec=1578151056184&di=594a34f05f3587c31d9377a643ddd72e&imgtype=0&src=http%3A%2F%2Fn.sinaimg.cn%2Fsinacn%2Fw1600h1000%2F20180113%2F0bdc-fyqrewh5850115.jpg", "D:\\DB\\download");
		System.out.println("time: "+(System.currentTimeMillis()-start));
	}
}

运行截图：
注意：这里这个时间并不是复制和下载需要的时间，实际上它没有这个功能！

注意：虽然两部分代码是相同的，但是第三列数字，却不是完全相同的，这个似乎是因为本地和网络得区别吧。但是最后得文件是完全相同的，没有问题得。（我本地文件复制得是网络下载得那张图片，使用图片进行测试有一个好处，就是如果错了一点（字节数目不对），这个图片基本上就会产生问题。）

产生错误之后的图片：
图片无法正常显示，会出现很多的问题，这就说明一定是代码写错了，哈哈。不过代码的 bug 有时候还是很费时间的。

总结

多线程复制和多线程下载，对于IO 流的使用都是相同的，所以掌握好IO 流的使用是很关键的一步，这样就可以做很多很有趣的事情了。将IO流结合线程和网络是一片广阔的天地，但是我也是最近才看了一点网络的知识。（网络是很难的，写这个多线程下载就遇到了一些网络类上面的问题。）

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使用计时器实现了多线程复制文件的断点复制功能，感兴趣的可以了解一下。
多线程断点复制