JNI 探秘 — 你不知道的 FileInputStream 的秘密

摘要

设计模式系列结束，迎来了LZ第一篇关于JAVA虚拟机的文章，这一系列文章不再像之前的设计模式一样，有着严格的约束力，本系列文章相对会比较随性，本次LZ就跟各位分享一个关于FileInputStream

原文出处： 左潇龙

设计模式系列结束，迎来了LZ第一篇关于JAVA虚拟机的文章，这一系列文章不再像之前的设计模式一样，有着严格的约束力，本系列文章相对会比较随性，本次LZ就跟各位分享一个关于FileInputStream的小秘密。

在探究这个秘密之前，各位如果没有openjdk的源码，可以去LZ的资源先下载下来，链接是：JVM源码 和 JDK源码。

由于资源有最大60MB的限制，所以LZ分成了两部分，一个是JVM的源码，一个是JDK中的源码，而本地方法的源码都在JDK的那个压缩包当中，全部源码下载在openjdk的官网上也有，各位也可以去那里找一下，如果嫌麻烦的话，就去LZ的资源里下载即可。

现在源码我们已经有了，可以来看下我们研究的小秘密了。大家都知道我们在读取文件时离不开FileInputStream这个类，那么不知道各位有没有好奇过，我们的FileInputStream是如何建立的呢？

我们一起先来看看FileInputStream的源码，我们平时都是通过new FileInputStream(name or File)的方式得到的文件输入流，所以我们来看FileInputStream的构造方法。

public
class FileInputStream extends InputStream
{
    /* File Descriptor - handle to the open file */
    private FileDescriptor fd;

    private FileChannel channel = null;

    public FileInputStream(String name) throws FileNotFoundException {
        this(name != null ? new File(name) : null);
    }
    //这个方法是我们创建文件输入流时的方式
    public FileInputStream(File file) throws FileNotFoundException {
    String name = (file != null ? file.getPath() : null);
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    if (security != null) {
        security.checkRead(name);
    }
        if (name == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
    fd = new FileDescriptor();
    open(name);
    }

我们忽略安全管理器的检查，可以看到，在创建一个文件输入流时，主要做了两件事，一个是new一个FileDescriptor（文件描述符），一个便是调用了open方法。

不过在此之前，其实还调用了一个方法，在FileInputStream源码的下方，有这样一个静态块。

static {
       initIDs();
    }

它将在第一次加载FileInputStream类的时候，调用一个静态的initIDs的本地方法，这里我们不跟踪这个方法的源码，它并不是我们的重点，它的作用是设置类中（也就是FileInputStream）的属性的地址偏移量，便于在必要时操作内存给它赋值，而FileInputStream的initIDs方法只设置了fd这一个属性的地址偏移量。

接下来，我们首先看下FileDescriptor这个类是什么样子的，它的源码如下。

package java.io;

public final class FileDescriptor {

    private int fd;

    private long handle;

    /**
     * Constructs an (invalid) FileDescriptor
     * object.
     */
    public /**/ FileDescriptor() {
    fd = -1;
        handle = -1;
    }

    private /* */ FileDescriptor(int fd) {
    this.fd = fd;
        handle = -1;
    }

    static {
        initIDs();
    }

    /**
     * A handle to the standard input stream. Usually, this file
     * descriptor is not used directly, but rather via the input stream
     * known as <code>System.in</code>.
     *
     * @see     java.lang.System#in
     */
    public static final FileDescriptor in = standardStream(0);

    /**
     * A handle to the standard output stream. Usually, this file
     * descriptor is not used directly, but rather via the output stream
     * known as <code>System.out</code>.
     * @see     java.lang.System#out
     */
    public static final FileDescriptor out = standardStream(1);

    /**
     * A handle to the standard error stream. Usually, this file
     * descriptor is not used directly, but rather via the output stream
     * known as <code>System.err</code>.
     *
     * @see     java.lang.System#err
     */
    public static final FileDescriptor err = standardStream(2);

    /**
     * Tests if this file descriptor object is valid.
     *
     * @return  <code>true</code> if the file descriptor object represents a
     *          valid, open file, socket, or other active I/O connection;
     *          <code>false</code> otherwise.
     */
    public boolean valid() {
    return ((handle != -1) || (fd != -1));
    }

    public native void sync() throws SyncFailedException;

    /* This routine initializes JNI field offsets for the class */
    private static native void initIDs();

    private static native long set(int d);

    private static FileDescriptor standardStream(int fd) {
        FileDescriptor desc = new FileDescriptor();
        desc.handle = set(fd);
        return desc;
    }

}

可以看到，这里面也有initIDs的静态块，它与FileInputStream中的静态块的作用类似，只不过这里设置了两个属性（fd和handle）的地址偏移量。

如果抛开这两个静态块不说，其实到现在只是做了很简单的一件事，就是new了一个FileDescriptor对象，而最关键的地方其实都在FileInputStream的构造方法中一个名叫open(name)的这个本地方法当中，这个我们接下来再去看。

我们先看下FileDescriptor这个类，这个类有几个属性，一个是int类型的fd，目前没发现它有什么作用，唯一与它相关的构造方法还是私有的，而且在类中也没有调用，不过它与本次的分析并无关系，可先忽略。一个是long类型的handle（句柄），而handle这个属性就是最重要的属性了，它是一个文件的句柄，我们读取文件全靠它了，剩下的就是三个静态的标准流的FileDescriptor对象。

接下来我们就来看看open(name)这个方法到底做了什么，猜一下其实也大致知道，它一定是打开了一个文件，然后把得到的文件句柄赋给了handle属性，而赋值的时候，就要依赖于刚才initIDs所初始化的地址偏移量。

下面我们就要看下open这个方法的源码了，不过本地方法以及JVM使用的编程语言是C/C++，所以研究JVM源码时，会给只懂JAVA的猿友们造成一定阻碍。不过不懂C++的猿友也不要失望，LZ会详细标注上每一句话的含义，只要是熟悉JAVA的猿友，基本上是能看懂的。

以下便是open这个方法的源码，FileInputStream.c中的一段代码。

JNIEXPORT void JNICALL
Java_java_io_FileInputStream_open(JNIEnv *env, jobject this, jstring path) {
    fileOpen(env, this, path, fis_fd, O_RDONLY);
}

这个方法没什么难度，它只是单纯的调用了一个叫fileOpen的方法，而这个方法是与具体的操作系统相关的，这也是为什么这里没有直接写实现的原因，我们随便找一个操作系统的实现来做例子，我们看一下windows当中的fileOpen的方法实现，以下是io_util_md.c文件的一段代码。

/*
    env是一个指向JAVA本地方法环境的指针，它的作用大部分用来获取环境参数，比如当前线程。
    this相信大家都不陌生，这就是指的当前FileInputStream的实例，只不过在C/C++环境中，它是jobject类型
    path就是文件路径了，也是我们传进来的name参数
    fid是FileInputStream类中fd属性的地址偏移量
    flags是打开文件的方式，一般就是只读方式。
*/
void fileOpen(JNIEnv *env, jobject this, jstring path, jfieldID fid, int flags)
{
    jlong h = winFileHandleOpen(env, path, flags);//这一句话就得到了一个文件的句柄
    if (h >= 0) {
        SET_FD(this, h, fid);//这一句话就是将这个句柄赋给了FileDescriptor类的handle属性
    }
}

LZ已经加了详细的注释，那么关键点还有两个，一个是winFileHandleOpen方法里做了什么，一个是SET_FD这个宏定义做了什么。虽然LZ已经解释了它们各自都做了什么，但是不看源码是不是始终不爽呢？

接下来我们先来看下winFileHandleOpen方法，这个方法就在fileOpen的上面。

/*
    path是文件路径，flags代表的是只读
*/
jlong
winFileHandleOpen(JNIEnv *env, jstring path, int flags)
{
    const DWORD access =
        (flags & O_WRONLY) ?  GENERIC_WRITE :
        (flags & O_RDWR)   ? (GENERIC_READ | GENERIC_WRITE) :
        GENERIC_READ;//访问权限
    const DWORD sharing =
        FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE;//是否共享访问
    const DWORD disposition =
        /* Note: O_TRUNC overrides O_CREAT */
        (flags & O_TRUNC) ? CREATE_ALWAYS :
        (flags & O_CREAT) ? OPEN_ALWAYS   :
        OPEN_EXISTING;
    const DWORD  maybeWriteThrough =
        (flags & (O_SYNC | O_DSYNC)) ?
        FILE_FLAG_WRITE_THROUGH :
        FILE_ATTRIBUTE_NORMAL;
    const DWORD maybeDeleteOnClose =
        (flags & O_TEMPORARY) ?
        FILE_FLAG_DELETE_ON_CLOSE :
        FILE_ATTRIBUTE_NORMAL;
    const DWORD flagsAndAttributes = maybeWriteThrough | maybeDeleteOnClose;//
    HANDLE h = NULL;//定义一个句柄

    if (onNT) {//如果是NT系统
        WCHAR *pathbuf = pathToNTPath(env, path, JNI_TRUE);//转成NT系统下的路径
        if (pathbuf == NULL) {//等于空返回-1，-1就是空句柄
            /* Exception already pending */
            return -1;
        }
        h = CreateFileW(
            pathbuf,            /* Wide char path name */
            access,             /* Read and/or write permission */
            sharing,            /* File sharing flags */
            NULL,               /* Security attributes */
            disposition,        /* creation disposition */
            flagsAndAttributes, /* flags and attributes */
            NULL);//CreateFileW是一个WIN API，可以打开一个文件
        free(pathbuf);//释放内存
    } else {//不是NT，那么就是XP WIN7 等各位熟悉的系统，WITH_PLATFORM_STRING和END_PLATFORM_STRING都是宏定义
            //这个就没必要带各位再去分析宏定义了，主要作用是将jstring转换成与平台相关的char *类型变量。
        WITH_PLATFORM_STRING(env, path, _ps) {
            h = CreateFile(_ps, access, sharing, NULL, disposition,
                           flagsAndAttributes, NULL);//最终这个方法也是得到一个文件句柄
        } END_PLATFORM_STRING(env, _ps);
    }
    if (h == INVALID_HANDLE_VALUE) {//如果句柄为无效句柄，则抛出FileNotFoundException异常，相信各位都不陌生
        int error = GetLastError();
        if (error == ERROR_TOO_MANY_OPEN_FILES) {
            JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVAIOPKG "IOException",
                            "Too many open files");
            return -1;
        }
        throwFileNotFoundException(env, path);
        return -1;
    }
    return (jlong) h;//返回句柄
}

LZ已经在上面方法加了注释，相信熟悉JAVA的同学哪怕不懂C/C++，也不难看懂上面这个函数，而唯一LZ没有解释全的就是CreateFile方法那几个参数，这个如果各位有兴趣可以去搜索一下，百度上有很多这个方法的参数的具体解释，但是不管怎么说，我们都是以只读方式打开了一个文件。也就是在上面调用fileOpen方法时传入的O_RDONLY这个参数代表的含义。

搞清楚了文件句柄获取的过程，下面我们来看一下，这个句柄是如何赋给了FileDescriptor类的handle属性，我们看一下SET_FD这个宏定义都做了什么。

#define SET_FD(this, fd, fid) \
    if ((*env)->GetObjectField(env, (this), (fid)) != NULL) \//这一句，是判断FileInputStream这个对象的fd属性是不是空
        //如果不是空的话，调用了一个SetLongField的方法，看它的参数，(*env)->GetObjectField(env, (this), (fid))这个传入
        //的是FileInputStream这个对象的fd属性，IO_handle_fdID是handle属性的地址偏移量，fd则是文件句柄的值
        //我们不需要进去看，就能看出来这个函数就是把fd赋给了FileInputStream这个对象的fd属性的handle属性。
        (*env)->SetLongField(env, (*env)->GetObjectField(env, (this), (fid)), IO_handle_fdID, (fd))

这下我们已经明白了，综合上面的分析过程，我们可以总结出当我们new一个FileInputStream的时候，都做了哪些步骤。

下面LZ将这些步骤写出来：

1、如果FileInputStream类尚未加载，则执行initIDs方法，否则这一步直接跳过。

2、如果FileDescriptor类尚未加载，则执行initIDs方法，否则这一步也直接跳过。

3、new一个FileDescriptor对象赋给FileInputStream的fd属性。

4、打开一个文件句柄。

5、将文件句柄赋给FileDescriptor对象的handle属性。

到此我们已经将FileInputStream的创建过程全部搞清楚了，不过一直分析下来好像都一直在看C/C++代码了，下面LZ给各位写了一个小程序，是使用的FileDescriptor这个类的静态变量，也就是那几个标准流。

import java.io.FileDescriptor;
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;

public class Client {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileDescriptor descriptor  = FileDescriptor.out;
        FileWriter fileWriter = new FileWriter(descriptor);
        fileWriter.write("hello world");
        fileWriter.flush();
        fileWriter.close();
    }
}

输出结果为hello world，相信不出大家意料，不过这是不是挺有意思的呢？好了，本次简单的分析了一下FileInputStream对象的创建，下次我们再来看看在获得了handle（文件句柄）之后，read方法又是如何去读取文件的。

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