Java マルチスレッドおよび IO ストリームのアプリケーション シナリオとテクニック

Java マルチスレッドおよびストリーミング アプリケーション

最近、マルチスレッドを使用してファイルをダウンロードする例を見ました。非常に興味深いと思いました。調べて、マルチスレッドを使用してファイルをローカルにコピーしようとしました。書き終えた後、この 2 つは実際には非常に似ていることがわかりました。ローカル ファイルのコピーであっても、ネットワーク マルチスレッドのダウンロードであっても、ストリームの使用方法は同じです。 ローカル ファイル システムの場合、入力ストリームはローカル ファイル システム内のファイルから取得され、ネットワーク リソースの場合は、リモート サーバー上のファイルから取得されます。

注: このマルチスレッドのダウンロード コードは多くの人が書いていますが、誰もが理解できるわけではありません。ここでもう一度書きます。

マルチスレッドを使用することの明白な利点は次のとおりです。 アイドル状態の CPU を使用して速度を向上します。 ただし、スレッドが多いほど良いことに注意してください。n 個のスレッドがまとめてダウンロードされるように見えますが、各スレッドがダウンロードするのはごく一部であり、ダウンロード時間は 1/n になります。これは非常に単純な理解で、一人の家を建てるには100日かかりますが、1万人であれば1/10日しかかかりません。 (大げさです(笑))

スレッド間の切り替えにもシステムのオーバーヘッドが必要であり、スレッド数を適切な範囲内に制御する必要があります。

RamdomAccessFile

このクラスは比較的ユニークで、ファイルからデータを読み取り、ファイルにデータを書き込むことができます。ただし、これは OutputStream と InputStream のサブクラスではなく、これら 2 つのインターフェイス DataOutput と DataInput を実装するクラスです。

API の概要:

このクラスのインスタンスは、ランダム アクセス ファイルの読み取りと書き込みをサポートします。ファイルにランダムにアクセスすると、ファイル システムに大量のバイトが保存されているように動作します。ファイル ポインタと呼ばれるカーソル、つまり暗黙的な配列へのインデックスの種類があり、入力操作はファイル ポインタから始まるバイトを読み取り、読み取ったバイトを超えてファイル ポインタを拡張します。出力操作は、ランダム アクセス ファイルが読み取り/書き込みモードで作成されている場合にも使用できます。出力操作では、ファイル ポインタからバイトを書き込み、書き込まれたバイトまでファイル ポインタを進めます。暗黙的な配列の現在の側に書き込む出力操作により、配列が拡張されます。ファイル ポインタは、getFilePointer メソッド によって読み取られ、seek メソッド によって設定されます。

で、このクラスで一番重要なのがseekメソッドなんですが、seekメソッドを使うと書き込み位置を制御できるので、マルチスレッドの実装が非常に楽になります。したがって、ローカル ファイルのコピーであっても、ネットワーク マルチスレッド ダウンロードであっても、このクラスが必要です。

具体的なアイデアは次のとおりです。 まず、RandomAccessFile を使用して File オブジェクトを作成し、次にファイルのサイズを設定します。 (はい、ファイル サイズを直接設定できます。) このファイルを、コピーまたはダウンロードするファイルと同じに設定します。 (このファイルにはデータを書き込んでいませんが、このファイルは作成されています。) ファイルをいくつかの部分に分割し、スレッドを使用して各部分の内容をコピーまたはダウンロードします。

これはファイルの上書きに似ています。既存のファイルがファイルの先頭からデータを書き込み始めてファイルの最後まで書き込むと、元のファイルは存在しなくなり、新しいファイルが書き込まれます。

ファイル サイズを設定します:

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

画像を使用して説明します: この画像は、サイズが 8191 バイトのファイルを表します。各部分のサイズは次のとおりです: 8191 / 4 = 2047 バイト

このファイルを 4 つの部分に分割します。各部分はスレッドを使用してコピーまたはダウンロードされ、各矢印はスレッドのダウンロード開始位置を表します。ファイルが正確に 1024 バイトで割り切れることはほとんどないため、意図的に最後の部分を 1024 バイトに設定しないままにしました。 (1024 バイトを使用する理由は、毎回 1024 バイトを読み取るためです。1024 バイトが読み取られると、読み取られた対応するバイト数が書き込まれます。)

この図によると、各スレッドは 2047 バイトをダウンロードし、ダウンロードされる合計バイト数は次のようになります: 2047 * 4 = 8188 バイト これは問題を引き起こします。ダウンロードされたバイト数が合計バイト数より少ないです。これは問題であるため、ダウンロードされたバイト数は合計バイト数より大きくなければなりません。 ( これ以上あっても、ダウンロードされる部分は後から上書きされるので問題ありません。 )

つまり、それぞれのサイズはこの部分は 8191 / 4 1 = 2048 バイトである必要があります。 (こうすることで、4 つの部分のサイズの合計が合計サイズを超えるため、データの損失は発生しません。)

したがって、ここに 1 を追加する必要があります。

long size = len / FileCopyUtil.THREAD_NUM + 1;

各スレッドがダウンロードを完了する位置 (右側) 各スレッドはダウンロードの自分の部分のみをコピーするため、 need すべてのコンテンツがダウンロードされているため、ファイルデータをファイルに読み書きする部分に追加判定が追加されます。

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();
}

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);

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(); 
	}
}

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%2Fw1600h2000%2F20180113%2F0bdc-fyqrewh6850115.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。

以上がJava マルチスレッドおよび IO ストリームのアプリケーション シナリオとテクニックの詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。