Java 隨機存取檔案與壓縮操作：RandomAccessFile、ZIP/GZIP 完整實戰

隨機存取允許任意位置讀寫，不必順序掃描；壓縮則節省儲存與傳輸頻寬。本文詳細講解 RandomAccessFile 定位讀寫、檔案鎖、記錄式存取模式，以及 java.util.zip 套件的 ZIP/GZIP 壓縮解壓實戰範例。

一、RandomAccessFile：唯一的「雙向」檔案類

1. 核心特性

• 實作 DataInput/DataOutput，**非**繼承 InputStream/OutputStream。
• 支援 "r"（唯讀）、"rw"（讀寫）、"rws"/"rwd"（同步寫入）。
• 內部維護**檔案指標**，seek(pos) 任意跳轉。
• 可直接覆寫、截斷、追加，適合**固定長度記錄**、**資料庫索引**、**大檔案斷點續傳**。

2. 關鍵 API

3. 實戰：模擬系統日誌追加（定位檔尾）

public class LogAppender {
    private final RandomAccessFile raf;
    public LogAppender(String path) throws IOException {
        this.raf = new RandomAccessFile(path, "rw");
    }
    public synchronized void append(String line) throws IOException {
        raf.seek(raf.length()); // 跳至檔尾
        raf.writeBytes(line + System.lineSeparator());
    }
    public void close() throws IOException { raf.close(); }
}

// 使用
try (LogAppender log = new LogAppender("app.log")) {
    log.append("[INFO] Service started");
    log.append("[WARN] High memory usage");
}

4. 實戰：固定長度記錄讀寫（如員工編號 8 位、姓名 20 字元、薪資 8 位雙精度）

public class FixedRecordDB {
    private static final int RECORD_SIZE = 8 + 20*2 + 8; // 40 bytes (char=2 bytes)
    private final RandomAccessFile raf;
    
    public FixedRecordDB(String path) throws IOException { raf = new RandomAccessFile(path, "rw"); }
    
    public void writeRecord(long id, String name, double salary, long recNo) throws IOException {
        raf.seek(recNo * RECORD_SIZE);
        raf.writeLong(id);
        char[] nameBuf = new char[20];
        name.getChars(0, Math.min(name.length(), 20), nameBuf, 0);
        raf.writeChars(new String(nameBuf)); // 固定 20 char
        raf.writeDouble(salary);
    }
    
    public Record readRecord(long recNo) throws IOException {
        raf.seek(recNo * RECORD_SIZE);
        long id = raf.readLong();
        char[] nameBuf = new char[20];
        for (int i = 0; i < 20; i++) nameBuf[i] = raf.readChar();
        double salary = raf.readDouble();
        return new Record(id, new String(nameBuf).trim(), salary);
    }
}

二、ZIP 壓縮與解壓：多檔案打包標準

1. 壓縮目錄樹（遞迴）

public class ZipUtil {
    public static void zipDirectory(File srcDir, File zipFile) throws IOException {
        try (ZipOutputStream zos = new ZipOutputStream(new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(zipFile)))) {
            zipRecursive(srcDir, srcDir.getName(), zos);
        }
    }
    private static void zipRecursive(File file, String entryBase, ZipOutputStream zos) throws IOException {
        if (file.isDirectory()) {
            zos.putNextEntry(new ZipEntry(entryBase + "/"));
            zos.closeEntry();
            for (File child : file.listFiles()) {
                zipRecursive(child, entryBase + "/" + child.getName(), zos);
            }
        } else {
            zos.putNextEntry(new ZipEntry(entryBase));
            try (FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
                 BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis)) {
                byte[] buf = new byte[8192];
                int len;
                while ((len = bis.read(buf)) != -1) zos.write(buf, 0, len);
            }
            zos.closeEntry();
        }
    }
}

2. 解壓至目標目錄（防 Zip Slip 攻擊）

public static void unzip(File zipFile, File destDir) throws IOException {
    try (ZipInputStream zis = new ZipInputStream(new FileInputStream(zipFile))) {
        ZipEntry entry;
        while ((entry = zis.getNextEntry()) != null) {
            File outFile = new File(destDir, entry.getName()).getCanonicalFile();
            // 安全檢查：確保解壓路徑在目標目錄內
            if (!outFile.getPath().startsWith(destDir.getCanonicalPath() + File.separator)) {
                throw new SecurityException("Zip Slip 攻擊嘗試: " + entry.getName());
            }
            if (entry.isDirectory()) { outFile.mkdirs(); continue; }
            outFile.getParentFile().mkdirs();
            try (BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(outFile))) {
                byte[] buf = new byte[8192];
                int len;
                while ((len = zis.read(buf)) != -1) bos.write(buf, 0, len);
            }
            zis.closeEntry();
        }
    }
}

三、GZIP：單檔案流壓縮

GZIP 無檔案目錄結構，適合單一大檔（日誌、資料庫備份、HTTP 傳輸）。

// 壓縮
public static void gzipCompress(File src, File dst) throws IOException {
    try (FileInputStream fis = new FileInputStream(src);
         FileOutputStream fos = new FileOutputStream(dst);
         GZIPOutputStream gzos = new GZIPOutputStream(new BufferedOutputStream(fos))) {
        byte[] buf = new byte[8192];
        int len;
        while ((len = fis.read(buf)) != -1) gzos.write(buf, 0, len);
        gzos.finish(); // 關鍵：寫入尾部 CRC
    }
}

// 解壓
public static void gzipDecompress(File src, File dst) throws IOException {
    try (GZIPInputStream gis = new GZIPInputStream(new FileInputStream(src));
         FileOutputStream fos = new FileOutputStream(dst);
         BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(fos)) {
        byte[] buf = new byte[8192];
        int len;
        while ((len = gis.read(buf)) != -1) bos.write(buf, 0, len);
    }
}

四、效能與最佳實踐

1. 緩衝必加：BufferedInputStream/OutputStream 包裹節點流，8KB~64KB。
2. 大檔案用 NIO：FileChannel.transferTo 零拷貝壓縮/解壓更快。
3. 壓縮級別：DeflaterOutputStream 可設 level (0-9)，ZIP/GZIP 預設 6。
4. 記憶體映射：RandomAccessFile.getChannel().map(MapMode.READ_WRITE, 0, size) 適用頻繁隨機修改的大檔。
5. 執行緒安全：RandomAccessFile 非執行緒安全，多執行緒需外部同步或用 FileChannel + 鎖。

結語

RandomAccessFile 解決「任意位置讀寫」與「檔案鎖」需求，是嵌入式資料庫、斷點續傳的基石；ZipOutputStream/GZIPOutputStream 則是資料打包傳輸的標準工具。掌握指標控制、記錄對齊、Zip Slip 防禦、緩衝組合，即可靈活應對檔案級持久化場景。