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Go语言文件读取的一些总结

作者:禹鼎侯  发布时间:2024-04-27 15:30:45 

标签:Go语言,文件读取

Go语言在进行文件操作的时候,可以有多种方法。最常见的比如直接对文件本身进行Read和Write; 除此之外,还可以使用bufio库的流式处理以及分片式处理;如果文件较小,使用ioutil也不失为一种方法。

面对这么多的文件处理的方式,那么初学者可能就会有困惑:我到底该用那种?它们之间有什么区别?笔者试着从文件读取来对go语言的几种文件处理方式进行分析。

os.File、bufio、ioutil比较

效率测试

文件的读取效率是所有开发者都会关心的话题,尤其是当文件特别大的时候。为了尽可能的展示这三者对文件读取的性能,我准备了三个文件,分别为small.txt,midium.txt、large.txt,分别对应KB级别、MB级别和GB级别。

Go语言文件读取的一些总结

这三个文件大小分别为4KB、21MB、1GB。其中内容是比较常规的json格式的文本。

测试代码如下:


//使用File自带的Read
func read1(filename string) int {
fi, err := os.Open(filename)
if err != nil {
 panic(err)
}
defer fi.Close()
buf := make([]byte, 4096)
var nbytes int
for {
 n, err := fi.Read(buf)
 if err != nil && err != io.EOF {
  panic(err)
 }
 if n == 0 {
  break
 }
 nbytes += n

}
return nbytes
}

read1函数使用的是os库对文件进行直接操作,为了确定确实都到了文件内容,并将读到的大小字节数返回。


//使用bufio
func read2(filename string) int {
fi, err := os.Open(filename)
if err != nil {
 panic(err)
}
defer fi.Close()
buf := make([]byte, 4096)
var nbytes int
rd := bufio.NewReader(fi)
for {
 n, err := rd.Read(buf)
 if err != nil && err != io.EOF {
  panic(err)
 }
 if n == 0 {
  break
 }
 nbytes += n
}
return nbytes
}

read2函数使用的是bufio库,操作NewReader对文件进行流式处理,和前面一样,为了确定确实都到了文件内容,并将读到的大小字节数返回。


//使用ioutil
func read3(filename string) int {
fi, err := os.Open(filename)
if err != nil {
 panic(err)
}
defer fi.Close()
fd, err := ioutil.ReadAll(fi)
nbytes := len(fd)
return nbytes
}

read3函数是使用ioutil库进行文件读取,这种方式比较暴力,直接将文件内容一次性全部读到内存中,然后对内存中的文件内容进行相关的操作。

我们使用如下的测试代码进行测试:


func testfile1(filename string) {
fmt.Printf("============test1 %s ===========\n", filename)
start := time.Now()
size1 := read1(filename)
t1 := time.Now()
fmt.Printf("Read 1 cost: %v, size: %d\n", t1.Sub(start), size1)
size2 := read2(filename)
t2 := time.Now()
fmt.Printf("Read 2 cost: %v, size: %d\n", t2.Sub(t1), size2)
size3 := read3(filename)
t3 := time.Now()
fmt.Printf("Read 3 cost: %v, size: %d\n", t3.Sub(t2), size3)
}

在main函数中调用如下:


func main() {
testfile1("small.txt")
testfile1("midium.txt")
testfile1("large.txt")
// testfile2("small.txt")
// testfile2("midium.txt")
// testfile2("large.txt")
}

测试结果如下所示:

Go语言文件读取的一些总结

从以上结果可知:

  • 当文件较小(KB级别)时,ioutil > bufio > os。

  • 当文件大小比较常规(MB级别)时,三者差别不大,但bufio又是已经显现出来。

  • 当文件较大(GB级别)时,bufio > os > ioutil。

原因分析

为什么会出现上面的不同结果?

其实ioutil最好理解,当文件较小时,ioutil使用ReadAll函数将文件中所有内容直接读入内存,只进行了一次io操作,但是os和bufio都是进行了多次读取,才将文件处理完,所以ioutil肯定要快于os和bufio的。

但是随着文件的增大,达到接近GB级别时,ioutil直接读入内存的弊端就显现出来,要将GB级别的文件内容全部读入内存,也就意味着要开辟一块GB大小的内存用来存放文件数据,这对内存的消耗是非常大的,因此效率就慢了下来。

如果文件继续增大,达到3GB甚至以上,ioutil这种读取方式就完全无能为力了。(一个单独的进程空间为4GB,真正存放数据的堆区和栈区更是远远小于4GB)。

而os为什么在面对大文件时,效率会低于bufio?通过查看bufio的NewReader源码不难发现,在NewReader里,默认为我们提供了一个大小为4096的缓冲区,所以系统调用会每次先读取4096字节到缓冲区,然后rd.Read会从缓冲区去读取。


const (
defaultBufSize = 4096
)

func NewReader(rd io.Reader) *Reader {
return NewReaderSize(rd, defaultBufSize)
}

func NewReaderSize(rd io.Reader, size int) *Reader {
// Is it already a Reader?
b, ok := rd.(*Reader)
if ok && len(b.buf) >= size {
 return b
}
if size < minReadBufferSize {
 size = minReadBufferSize
}
r := new(Reader)
r.reset(make([]byte, size), rd)
return r
}

而os因为少了这一层缓冲区,每次读取,都会执行系统调用,因此内核频繁的在用户态和内核态之间切换,而这种切换,也是需要消耗的,故而会慢于bufio的读取方式。

笔者翻阅网上资料,关于缓冲,有内核中的缓冲和进程中的缓冲两种,其中,内核中的缓冲是内核提供的,即系统对磁盘提供一个缓冲区,不管有没有提供进程中的缓冲,内核缓冲都是存在的。

而进程中的缓冲是对输入输出流做了一定的改进,提供的一种流缓冲,它在读写操作发生时,先将数据存入流缓冲中,只有当流缓冲区满了或者刷新(如调用flush函数)时,才将数据取出,送往内核缓冲区,它起到了一定的保护内核的作用。
因此,我们不难发现,os是典型的内核中的缓冲,而bufio和ioutil都属于进程中的缓冲。

总结

当读取小文件时,使用ioutil效率明显优于os和bufio,但如果是大文件,bufio读取会更快。

读取一行数据

前面简要分析了go语言三种不同读取文件方式之间的区别。但实际的开发中,我们对文件的读取往往是以行为单位的,即每次读取一行进行处理。

go语言并没有像C语言一样给我们提供好了类似于fgets这样的函数可以正好读取一行内容,因此,需要自己去实现。
从前面的对比分析可以知道,无论是处理大文件还是小文件,bufio始终是最为平滑和高效的,因此我们考虑使用bufio库进行处理。

翻阅bufio库的源码,发现可以使用如下几种方式进行读取一行文件的处理:

  • ReadBytes

  • ReadString

  • ReadSlice

  • ReadLine

效率测试

在讨论这四种读取一行文件操作的函数之前,仍然做一下效率测试。
测试代码如下:


func readline1(filename string) {
fi, err := os.Open(filename)
if err != nil {
 panic(err)
}
defer fi.Close()
rd := bufio.NewReader(fi)
for {
 _, err := rd.ReadBytes('\n')
 if err != nil || err == io.EOF {
  break
 }
}
}
func readline2(filename string) {
fi, err := os.Open(filename)
if err != nil {
 panic(err)
}
defer fi.Close()
rd := bufio.NewReader(fi)
for {
 _, err := rd.ReadString('\n')
 if err != nil || err == io.EOF {
  break
 }
}
}

func readline3(filename string) {
fi, err := os.Open(filename)
if err != nil {
 panic(err)
}
defer fi.Close()
rd := bufio.NewReader(fi)
for {
 _, err := rd.ReadSlice('\n')
 if err != nil || err == io.EOF {
  break
 }
}
}

func readline4(filename string) {
fi, err := os.Open(filename)
if err != nil {
 panic(err)
}
defer fi.Close()
rd := bufio.NewReader(fi)
for {
 _, _, err := rd.ReadLine()
 if err != nil || err == io.EOF {
  break
 }
}
}

可以看到,这四种操作方式,无论是函数调用,还是函数返回值的处理,其实都是大同小异的。但通过测试效率,则可以看出它们之间的区别。

我们使用下面的测试代码:


func testfile2(filename string) {
fmt.Printf("============test2 %s ===========\n", filename)
start := time.Now()
readline1(filename)
t1 := time.Now()
fmt.Printf("Readline 1 cost: %v\n", t1.Sub(start))
readline2(filename)
t2 := time.Now()
fmt.Printf("Readline 2 cost: %v\n", t2.Sub(t1))
readline3(filename)
t3 := time.Now()
fmt.Printf("Readline 3 cost: %v\n", t3.Sub(t2))
readline4(filename)
t4 := time.Now()
fmt.Printf("Readline 4 cost: %v\n", t4.Sub(t3))
}

在main函数中调用如下:


func main() {
// testfile1("small.txt")
// testfile1("midium.txt")
// testfile1("large.txt")
testfile2("small.txt")
testfile2("midium.txt")
testfile2("large.txt")
}

运行结果如下所示:

Go语言文件读取的一些总结

通过现象,除了small.txt之外,大致可以分为两组:

  • ReadBytes对小文件处理效率最差

  • 在处理大文件时,ReadLine和ReadSlice效率相近,要明显快于ReadString和ReadBytes。

原因分析

为什么会出现上面的现象,不防从源码层面进行分析。
通过阅读源码,我们发现这四个函数之间存在这样一个关系:

  • ReadLine <- (调用) ReadSlice

  • ReadString <- (调用)ReadBytes<-(调用)ReadSlice

既然如此,那为什么在处理大文件时,ReadLine效率要明显高于ReadBytes呢?

首先,我们要知道,ReadSlice是切片式读取,即根据分隔符去进行切片。
通过源码发下,ReadLine只是在切片读取的基础上,对换行符\n和\r\n做了一些处理:


func (b *Reader) ReadLine() (line []byte, isPrefix bool, err error) {
line, err = b.ReadSlice('\n')
if err == ErrBufferFull {
 // Handle the case where "\r\n" straddles the buffer.
 if len(line) > 0 && line[len(line)-1] == '\r' {
  // Put the '\r' back on buf and drop it from line.
  // Let the next call to ReadLine check for "\r\n".
  if b.r == 0 {
   // should be unreachable
   panic("bufio: tried to rewind past start of buffer")
  }
  b.r--
  line = line[:len(line)-1]
 }
 return line, true, nil
}

if len(line) == 0 {
 if err != nil {
  line = nil
 }
 return
}
err = nil

if line[len(line)-1] == '\n' {
 drop := 1
 if len(line) > 1 && line[len(line)-2] == '\r' {
  drop = 2
 }
 line = line[:len(line)-drop]
}
return
}

而ReadBytes则是通过append先将读取的内容暂存到full数组中,最后再copy出来,append和copy都是要消耗内存和io的,因此效率自然就慢了。其源码如下所示:


func (b *Reader) ReadBytes(delim byte) ([]byte, error) {
// Use ReadSlice to look for array,
// accumulating full buffers.
var frag []byte
var full [][]byte
var err error
n := 0
for {
 var e error
 frag, e = b.ReadSlice(delim)
 if e == nil { // got final fragment
  break
 }
 if e != ErrBufferFull { // unexpected error
  err = e
  break
 }

// Make a copy of the buffer.
 buf := make([]byte, len(frag))
 copy(buf, frag)
 full = append(full, buf)
 n += len(buf)
}

n += len(frag)

// Allocate new buffer to hold the full pieces and the fragment.
buf := make([]byte, n)
n = 0
// Copy full pieces and fragment in.
for i := range full {
 n += copy(buf[n:], full[i])
}
copy(buf[n:], frag)
return buf, err
}

总结

读取文件中一行内容时,ReadSlice和ReadLine性能优于ReadBytes和ReadString,但由于ReadLine对换行的处理更加全面(兼容\n和\r\n换行),因此,实际开发过程中,建议使用ReadLine函数。

来源:https://segmentfault.com/a/1190000023691973

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