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Go语言文件读取的一些总结

时间：2020-09-06 12:18     来源/作者：禹鼎侯

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:

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//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。

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//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。

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//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：

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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：

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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。

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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：

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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
  }
 }
}
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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
  }
 }
}
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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：

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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：

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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：

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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：

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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。

 到此这篇关于Go语言文件读取的一些总结的文章就介绍到这了,更多相关Go语言文件读取内容请搜索服务器之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持服务器之家！

原文链接：https://segmentfault.com/a/1190000023691973

标签：
文件读取 GO语言 

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