通过HTTP协议实现多线程下载

2023-07-23 08:07:04

1. 基本原理，每条线程从文件不同的位置开始下载，最后合并出完整的数据。

2. 使用多线程下载的好处 
    下载速度快。为什么呢？很好理解，以往我是一条线程在服务器上下载。也就是说，对应在服务器上，有一个我的下载线程存在。 
    这时候肯定不只我一个人在下载，服务器上肯定同时存在多条下载线程，在下载服务器资源。对于 CPU 来说，不可能实现并发执行。 
    CPU 会公平的为这些线程划分时间片，轮流执行，a线程十毫秒 , b线程十毫秒... 
    假设运用了本文这种手法，意味着我的下载应用，可以同时使用服务器端的任意多条线程同时下载(理论上). 
    假设这个线程数目是 50 条，本应用就将更多的得到服务器 CPU 的照顾超过 50 倍. 
    但是总归会受本地网络速度的限制。

3. 每条线程要负责下载的数据长度可以用 “下载数据的总长度” 除以 “参与下载的线程总数” 来计算。但是要考虑到不能整除的情况。 
    假设有 5 条线程参与下载，那么计算公式应该为 ： 
            int block = 数据总长度%线程数 == 0? 10/3 : 10/3+1; (不能整除，则加一)

4. 和数据库分页查询类型。每条线程需要知道自己从数据的什么位置开始下载，下载到什么位置为止。 
   首先，为每一个线程配备一个 id , id 从零开始,为 0 1 2 3... 
   开始位置：线程 id 乘以每条线程负责下载的数据长度. 
   结束位置：下一个线程开始位置的前一个位置。 
   如： 
      int startPosition =  线程id * 每条线程下载的数据长度 
      int endPosition = (线程id + 1) * 每条线程下载的数据长度 -1; 
        
5. HTTP 协议的 Range 头可以指定从文件的什么位置开始下载，下载到什么位置结束。单位为 1byte 
   Range:bytes=2097152-4194304 表示从文件的 2M 的位置开始下载，下载到 4M 处结束 
   假如 Range 指定要读取到 文件的 5104389 的字节数位置，但是下载的文件本身只有 4104389 个长度。那么下载操作自动会在 4104389 处停止。 
   因此不会下载到多余的无效数据.

6. 另一个难题是如何按顺序将数据写往本地文件。因为，线程是同步执行的，它们同时在往本地目标文件写入数据。
   而线程于线程之间写入的数据并没有按照下载数据本身的顺序。若按照普通的 OutputStream 的写入方式，最后的本地下载文件将失真。 
   于是我们将用到下面这个类： 
     java.io.RandomAccessFile 
     因为此类同时实现了 DataOutput 和 DataInput 的方法。使他们同时具有写入和读取功能。 
     这个类仿佛存在一个类似文件指针的东西，可以随意执行文件的任意一个位置开始读写. 
     因此此类的实例支持对随机访问文件的读取和写入. 
     
     例如：

  1. File file = new File("1.txt");
  2. RandomAccessFile accessFile = new RandomAccessFile(file,"rwd");
  3. accessFile.setLength(1024);

虽然，执行完这段代码后，我们还没有向目标文件 "1.txt" 写入任何数据。但是如果此时查看其大小，已经为 1kb 了。这是我们自己设置的大小。 
    这个操作类似于向这个文件存储了一个大型的 byte 数组。这个数组将这个文件撑到指定大小。等待被填满。 
    既然是这样，好处就在于，我们可以通过 “索引” 随机访问此文件系统的某个部分。 
    例如，可能这个文件大小为 500 
    那么，我的业务需求可能需要第一次 从 300 位置开始写数据，写到 350 为止。 
    第二次，我又从 50 开始写数据，写到 100 为止。 
    总之，我不是 “一次性” 的 “按顺序” 的将这个文件写完。 
    那么，RandomAccessFile 可以支持这种操作。 
     
     API 
      void setLength(long newLength) 
          Sets the length of this file. (设置文件的预计大小) 
      void seek(long pos) 
          Sets the file-pointer offset, measured from the beginning of this file, at which the next read or write occurs. 
          假设为这个方法传入 1028 这个参数，表示，将从文件的 1028 位置开始写入。 
      void write(byte[] b, int off, int len) 
          Writes len bytes from the specified byte array starting at offset off to this file. 
      write(byte[] b) 
          Writes b.length bytes from the specified byte array to this file, starting at the current file pointer. 
      void writeUTF(String str) 
          Writes a string to the file using modified UTF-8 encoding in a machine-independent manner. 
       String readLine() 
          Reads the next line of text from this file.

实验代码：

  1. public static void main(String[] args) throws Exception {
  2. File file = new File("1.txt");
  3. RandomAccessFile accessFile = new RandomAccessFile(file,"rwd");
  4. /* 设置文件为 3 个字节大小 */
  5. accessFile.setLength(3);
  6. /* 向第二个位置写入 '2' */
  7. accessFile.seek(1);
  8. accessFile.write("2".getBytes());
  9. /* 向第一个位置写入 '1' */
  10. accessFile.seek(0); accessFile.write("1".getBytes());
  11. /* 向第三个位置写入 '3' */
  12. accessFile.seek(2);
  13. accessFile.write("3".getBytes()); accessFile.close();
  14. // 期待文件的内容为 ：123
  15. }

以上实验成功，虽然我们写入字符串的顺序为 "2"、"1"、"3"，但是因为设置了文件偏移量的关系，文件最终保存的数据为 : 123 
    另一个疑问，写完这三个数据，文件的大小已经为 3 个字节大小了。已经撑满了写入的数据，那么我们继续往里面放数据会有什么效果？ 
    
    /* 向超出大小的第四个字节位置写入数据 */ 
    accessFile.seek(3); 
    accessFile.write("400".getBytes()); 
    
    以上代码无论 seek 方法指定的文件指针偏移量以及存入的数据，都已经超出了最开始为文件设定的 3 个字节的大小。 
    按照我的猜测，至少 “accessFile.seek(3)” 位置会抛出 "ArrayIndexOutOfBoundsException" 异常，表示下标越界。 
    而，单独执行 "accessFile.write("400".getBytes())" 应该可以成功。因为这个需求属于合理的，应该有执行它的机制。 
    实验结果是两句代码都是成功的。貌似是说明，文件隐含的大型的字节数组，可以自动撑大。 
    
    但是要注意的问题是，必须要保证所设定的文件大小的每一个位置都具有合法的数据，至少不能为空。 
    例如: 
        /* 向第三个位置写入 '3'  */ 
        accessFile.seek(2); 
        accessFile.write("3".getBytes()); 
        
        accessFile.seek(5); 
        accessFile.write("400".getBytes()); 
    那么结合之前的代码，最后的结果为： 
        123口口400 
    在空白的两个位置处出现了乱码。这是理所应当的。 
    
    另外，假设我们为文件指定了一百个长度： 
        accessFile.setLength(100); 
    而，实际上，我们只为其前五个位置设置了值。那么理所当然的是，文件保存的数据，最后会缀上 95 个乱码。 
    
7. 准备工作应该十分充分了。接下来上代码。

  1. import java.io.File;
  2. import java.io.IOException;
  3. import java.io.InputStream;
  4. import java.io.RandomAccessFile;
  5. import java.net.HttpURLConnection;
  6. import java.net.URL;
  7. /**
  8. * 多线程方式文件下载
  9. */
  10. public class MulThreadDownload {
  11. /* 下载的URL */
  12. private URL downloadUrl;
  13. /* 用于保存的本地文件 */
  14. private File localFile;
  15. /* 没条线程下载的数据长度 */
  16. private int block;
  17. public static void main(String[] args) {
  18. /* 可以为网络上任意合法下载地址 */
  19. String downPath = "http://192.168.1.102:8080/myvideoweb/down.avi";
  20. MulThreadDownload threadDownload = new MulThreadDownload();
  21. /* 开 10 条线程下载下载 */
  22. try {
  23. threadDownload.download(downPath, 10);
  24. } catch (Exception e) {
  25. e.printStackTrace();
  26. }
  27. }
  28. /**
  29. * 多线程文件下载
  30. *
  31. * @param path 下载地址
  32. * @param threadCount 线程数
  33. */
  34. public void download(String path, int threadCount) throws Exception {
  35. downloadUrl = new URL(path);
  36. HttpURLConnection conn = (HttpURLConnection) downloadUrl
  37. .openConnection();
  38. /* 设置 GET 请求方式 */
  39. conn.setRequestMethod("GET");
  40. /* 设置响应时间超时为 5 秒 */
  41. conn.setConnectTimeout(5 * 1000);
  42. /* 获取本地文件名 */
  43. String filename = parseFilename(path);
  44. /* 获取下载文件的总大小 */
  45. int dataLen = conn.getContentLength();
  46. if (dataLen < 0) {
  47. System.out.println("获取数据失败");
  48. return;
  49. }
  50. /* 创建本地目标文件，并设置其大小为准备下载文件的总大小 */
  51. localFile = new File(filename);
  52. RandomAccessFile accessFile = new RandomAccessFile(localFile, "rwd");
  53. /* 这时候，其实本地目录下，已经创建好了一个大小为下载文件的总大小的文件 */
  54. accessFile.setLength(dataLen);
  55. accessFile.close();
  56. /* 计算每条线程要下载的数据大小 */
  57. block = dataLen % threadCount == 0 ? dataLen / threadCount : dataLen / threadCount + 1;
  58. /* 启动线程下载文件 */
  59. for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
  60. new DownloadThread(i).start();
  61. }
  62. }
  63. /**
  64. * 解析文件
  65. */
  66. private String parseFilename(String path) {
  67. return path.substring(path.lastIndexOf("/") + 1);
  68. }
  69. /**
  70. * 内部类： 文件下载线程类
  71. */
  72. private final class DownloadThread extends Thread {
  73. /* 线程 id */
  74. private int threadid;
  75. /* 开始下载的位置 */
  76. private int startPosition;
  77. /* 结束下载的位置 */
  78. private int endPosition;
  79. /**
  80. * 新建一个下载线程
  81. * @param threadid 线程 id
  82. */
  83. public DownloadThread(int threadid) {
  84. this.threadid = threadid;
  85. startPosition = threadid * block;
  86. endPosition = (threadid + 1) * block - 1;
  87. }
  88. @Override
  89. public void run() {
  90. System.out.println("线程 '" + threadid + "'启动下载..");
  91. RandomAccessFile accessFile = null;
  92. try {
  93. /* 设置从本地文件的什么位置开始写入数据 ,"rwd" 表示对文件具有读写删权限 */
  94. accessFile = new RandomAccessFile(localFile, "rwd");
  95. accessFile.seek(startPosition);
  96. HttpURLConnection conn = (HttpURLConnection) downloadUrl.openConnection();
  97. conn.setRequestMethod("GET");
  98. conn.setReadTimeout(5 * 1000);
  99. /* 为 HTTP 设置 Range 属性，可以指定服务器返回数据的范围 */
  100. conn.setRequestProperty("Range", "bytes=" + startPosition + "-"
  101. + endPosition);
  102. /* 将数据写往本地文件 */
  103. writeTo(accessFile, conn);
  104. System.out.println("线程 '" + threadid + "'完成下载");
  105. } catch (IOException e) {
  106. e.printStackTrace();
  107. } finally {
  108. try {
  109. if(accessFile != null) {
  110. accessFile.close();
  111. }
  112. } catch (IOException ex) {
  113. ex.printStackTrace();
  114. }
  115. }
  116. }
  117. /**
  118. * 将下载数据写往本地文件
  119. */
  120. private void writeTo(RandomAccessFile accessFile,
  121. HttpURLConnection conn){
  122. InputStream is = null;
  123. try {
  124. is = conn.getInputStream();
  125. byte[] buffer = new byte[1024];
  126. int len = -1;
  127. while ((len = is.read(buffer)) != -1) {
  128. accessFile.write(buffer, 0, len);
  129. }
  130. } catch (IOException e) {
  131. e.printStackTrace();
  132. } finally {
  133. try {
  134. if(is != null) {
  135. is.close();
  136. }
  137. } catch (Exception ex) {
  138. ex.printStackTrace();
  139. }
  140. }
  141. }
  142. }
  143. }
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