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聊一聊Java中的文件锁

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1. 概览

当读写文件时,需要确保有适当的文件锁定机制,来保证基于并发I/O应用程序的数据完整性。

「本教程中, 我们将介绍使用 Java NIO 库实现这一点的各种方法。」

2. 文件锁简介

「一般来说,有两种锁」:

  • 独占锁——也称为写锁
  • 共享锁——也称为读锁

简单地说,在写操作完成时,独占锁防止所有其他操作(包括读操作)。

相反,共享锁允许多个进程同时读取。读锁的目的是防止另一个进程获取写锁。通常,处于一致状态的文件确实应该被任何进程读取。

在下一节中,我们将看到Java如何处理这些类型的锁。

3. Java中的文件锁

Java NIO库支持在操作系统级别锁定文件。FileChannel 中的lock() 和*tryLock()*方法就是为了这个而存在。

我们可以通过 FileInputStream, FileOutputStream,RandomAccessFile 来获取FileChannel,三者均可通过 getChannel() 方法返回 FileChannel对象.

或者, 我们可以直接通过静态方法 open 来创建 FileChannel :

try (FileChannel channel = FileChannel.open(path, openOptions)) {
  // write to the channel
}

接下来,我们将回顾在Java中获取独占锁和共享锁的不同方式。要了解有关文件通道的更多信息,请查看[Guide to Java FileChanne 教程。

4. 独占锁

正如我们已经了解到的,在写入文件时,「我们可以使用独占锁」防止其他进程读取或写入文件。

我们通过调用 FileChannel 类上的 lock() 或 tryLock()) 来获得独占锁。我们还可以使用它们的重载方法:

  • lock(long position, long size, boolean shared)
  • tryLock(long position, long size, boolean shared)

在这些情况下,shared参数必须设置为false。

要获得独占锁,必须使用可写的文件通道。我们可以通过 FileOutputStream 或 RandomAccessFile 的 getChannel() 方法创建它。或者,如前所述,我们可以使用 FileChannel 类的静态方法:open。我们只需要将第二个参数设置为StandardOpenOption.APPEND :

try (FileChannel channel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.APPEND)) { 
    // write to channel
}

4.1. 使用 FileOutputStream 的独占锁

从 FileOutputStream 创建的 FileChannel 是可写的。因此,我们可以获得一个独占锁:

try (FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("/tmp/testfile.txt");
     FileChannel channel = fileOutputStream.getChannel();
     FileLock lock = channel.lock()) { 
    // write to the channel
}

在这里,channel.lock() 要么阻塞直到获得一个锁,要么抛出一个异常。例如,如果指定的区域已锁定,则会引发OverlappingFileLockException。有关可能的异常的完整列表,请参见Javadoc。我们还可以使用 channel.tryLock() 执行非阻塞锁。如果由于另一个程序持有一个重叠的锁而无法获取锁,则返回null。如果由于任何其他原因未能执行此操作,则会引发相应的异常。

4.2. 使用 RandomAccessFile 的独占锁

使用 RandomAccessFile,我们需要设置 [constructor](https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/io/RandomAccessFile.html#RandomAccessFile(java.io.File, java.lang.String)) 方法的第二个参数。

在这里,我们将使用读写权限打开文件:

try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("/tmp/testfile.txt", "rw");
      FileChannel channel = file.getChannel();
      FileLock lock = channel.lock()) {
    // write to the channel
}

如果我们以只读模式打开文件,并尝试向其通道进行写入操作,将会抛出 NonWritableChannelException 异常。

4.3.独占锁依赖于可读的 FileChannel

如前所述,独占锁需要一个可写通道。因此,我们无法通过从 FileInputStream 创建的 FileChannel 获得独占锁:

Path path = Files.createTempFile("foo","txt");
Logger log = LoggerFactory.getLogger(this.getClass());
try (FileInputStream fis = new FileInputStream(path.toFile()); 
    FileLock lock = fis.getChannel().lock()) {
    // unreachable code
} catch (NonWritableChannelException e) {
    // handle exception
}

在上面的例子中,lock() 方法将抛出一个 nonwriteablechannelexception 。实际上,这是因为我们正在对一个创建只读通道的 FileInputStream 调用 getChannel。这个例子只是为了证明我们不能写到一个不可写的通道。事实上,我们不会捕捉并重新抛出异常。

5. 共享锁

记住,共享锁也称为读 锁。因此,要获得读锁,我们必须使用可读的文件通道。

这样的 FileChannel 可以通过调用 FileInputStream 或 RandomAccessFile 上的 getChannel() 方法获得。同样,另一个选项是使用 FileChannel 类的静态 open 方法。在这种情况下,我们将第二个参数设置为 StandardOpenOption.READ 。

try (FileChannel channel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ);
    FileLock lock = channel.lock(0, Long.MAX_VALUE, true)) {
    // read from the channel
}

这里要注意的一点是,我们选择通过调用 lock(0, Long.MAX_VALUE, true) 来锁定整个文件。通过将前两个参数更改为不同的值,我们还可以只锁定文件的特定区域。对于共享锁,第三个参数必须设置为true。

为了简单起见,我们将在下面的所有示例中锁定整个文件,但请记住,我们始终可以锁定文件的特定区域。

5.1. 使用 FileInputStream 中的共享锁

从 FileInputStream 获得的 FileChannel 是可读的。因此,我们可以获得一个共享锁:

try (FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("/tmp/testfile.txt");
    FileChannel channel = fileInputStream.getChannel();
    FileLock lock = channel.lock(0, Long.MAX_VALUE, true)) {
    // read from the channel
}

在上面的代码片段中,将成功调用通道上的 lock() 。这是因为共享锁只要求通道是可读的就行。

5.2. 使用 RandomAccessFile中的共享锁

这次,我们只需要使用 ''读" 权限打开文件即可:

try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("/tmp/testfile.txt", "r"); 
     FileChannel channel = file.getChannel();
     FileLock lock = channel.lock(0, Long.MAX_VALUE, true)) {
     // read from the channel
}

在本例中,我们创建了一个具有读取权限的RandomAccessFile对象,然后从中创建一个可读通道,从而创建一个共享锁。

5.3. 共享锁依赖于可读的 FileChannel

因此,我们无法通过从 FileOutputStream 创建的 FileChannel 获取共享锁:

Path path = Files.createTempFile("foo","txt");
try (FileOutputStream fis = new FileOutputStream(path.toFile()); 
    FileLock lock = fis.getChannel().lock(0, Long.MAX_VALUE, true)) {
    // unreachable code
} catch (NonWritableChannelException e) { 
    // handle exception
}

在本例中,调用 lock() 尝试获取从 FileOutputStream 创建的通道上的共享锁。这样的通道是只写的。它不能满足通道必须可读的需要。这将触发一个NonWritableChannelException。

同样,这段代码只是为了证明我们不能从一个不可读的通道中读取。

6. 思考

实际上,使用文件锁是困难的;锁定机制是不可移植的。我们需要考虑到这一点来设计锁定逻辑。

在POSIX系统中,锁是建议性的。读取或写入给定文件的不同进程必须就锁定协议达成一致。这将确保文件的完整性。操作系统本身不会强制任何锁定。

在Windows上,除非允许共享,否则锁将是独占的。讨论操作系统特定机制的优点或缺点超出了本文的讨论范围。然而,在实现锁定机制时,了解这些细微差别很重要。

7. 总结

在本教程中,我们回顾了在Java中获取文件锁的几种不同选项。

首先,我们首先了解两种主要的锁定机制,以及Java NIO库如何促进锁定文件。然后,我们浏览了一系列简单的示例,这些示例显示我们可以在应用程序中获得独占和共享锁。我们还研究了使用文件锁时可能遇到的典型异常类型。

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原始发表时间:2020-03-16

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