java.nio.fileの強力な機能を使いこなす！モダンJavaファイルI/O完全ガイド

はじめに：なぜ今、java.nio.fileなのか？

Javaでのファイル操作と言えば、多くの開発者が長年java.io.Fileクラスに親しんできました。しかし、このクラスはJavaの初期から存在する古いAPIであり、現代的なプログラミングの要求に応えるにはいくつかの課題を抱えています。

例えば、エラー処理が不親切（多くが例外をスローせずブール値を返す）であったり、シンボリックリンクの扱いに一貫性がなかったり、ファイル属性へのアクセスが限定的であったりといった問題です。

これらの課題を解決すべく、Java 7で全面的に刷新されたファイルI/O API、通称NIO.2 (New I/O 2)がjava.nio.fileパッケージとして導入されました。NIO.2は、より堅牢で、柔軟かつ高機能なファイル操作を実現します。

第1章: すべての基本 `Path` インターフェース

NIO.2の世界では、ファイルやディレクトリのパスを抽象的に表現するためにjava.nio.file.Pathインターフェースを使用します。これは、java.io.Fileがファイルそのものとパスの両方を扱っていたのに対し、より明確に「パス」という概念に特化したものです。

Pathオブジェクトの生成

Pathはインターフェースであるため、newで直接インスタンス化することはできません。代わりに、ユーティリティクラスであるjava.nio.file.Pathsのget()メソッドを使って生成するのが最も一般的です。

import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;

// 絶対パスからPathオブジェクトを生成 (Windowsの場合)
Path path1 = Paths.get("C:\\Users\\Guest\\Documents\\sample.txt");

// 絶対パスからPathオブジェクトを生成 (macOS/Linuxの場合)
Path path2 = Paths.get("/home/user/documents/sample.txt");

// 複数の文字列を連結してPathを生成
Path path3 = Paths.get("C:", "Users", "Guest", "Documents", "sample.txt");

// 相対パスからPathオブジェクトを生成
Path path4 = Paths.get("data", "input.csv");
      

Pathが持つ便利なメソッド

Pathオブジェクトは、パス情報を操作するための豊富なメソッドを提供します。

第2章: ファイル操作の主役 `Files` クラス

実際のファイルやディレクトリの操作（作成、削除、コピーなど）は、java.nio.file.Filesクラスが提供する数多くのstaticメソッドを通じて行います。これにより、Pathはあくまで「パス」の表現に徹し、Filesが「操作」を担当するという役割分担が明確になっています。

Filesクラスのメソッドは、操作に失敗した場合、その原因を示す詳細なIOExceptionまたはそのサブクラスをスローするのが特徴です。これにより、信頼性の高いエラーハンドリングが可能になります。

ファイル・ディレクトリの存在確認

操作の前に、対象が存在するかどうかを確認するのは基本です。

import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;

Path p = Paths.get("non_existent_file.txt");

// 存在するかどうか (シンボリックリンクを辿る)
boolean exists = Files.exists(p); // false

// 存在しないかどうか
boolean notExists = Files.notExists(p); // true

// 読み取り可能か
boolean isReadable = Files.isReadable(p); // false

// 書き込み可能か
boolean isWritable = Files.isWritable(p); // false
      

ファイル・ディレクトリの作成

import java.nio.file.*;
import java.io.IOException;

try {
    // 空のファイルを作成
    Path file = Paths.get("new_file.txt");
    if (Files.notExists(file)) {
        Files.createFile(file);
        System.out.println("ファイルを作成しました: " + file);
    }

    // 単一のディレクトリを作成
    Path dir = Paths.get("./new_dir");
    if (Files.notExists(dir)) {
        Files.createDirectory(dir);
        System.out.println("ディレクトリを作成しました: " + dir);
    }

    // 複数の階層のディレクトリを一度に作成
    Path dirs = Paths.get("./parent_dir/child_dir");
    Files.createDirectories(dirs);
    System.out.println("複数階層のディレクトリを作成しました: " + dirs);

} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}
      

ファイルのコピー・移動

コピーや移動の際には、StandardCopyOption列挙型を使って、上書きや属性のコピーなどの振る舞いを細かく制御できます。

import java.nio.file.*;
import java.io.IOException;

try {
    Path source = Paths.get("source.txt");
    Files.createFile(source); // 事前にコピー元を作成

    Path targetCopy = Paths.get("copied.txt");
    Path targetMove = Paths.get("renamed.txt");

    // ファイルをコピー (同名ファイルがあれば上書き)
    Files.copy(source, targetCopy, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
    System.out.println("ファイルをコピーしました。");

    // ファイルを移動 (リネーム) (同名ファイルがあれば上書き)
    Files.move(targetCopy, targetMove, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING, StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE);
    System.out.println("ファイルを移動/リネームしました。");

} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}
      

ファイルの削除

import java.nio.file.*;
import java.io.IOException;

try {
    Path fileToDelete = Paths.get("renamed.txt");

    // ファイルを削除
    Files.delete(fileToDelete);
    System.out.println("ファイルを削除しました。");

    // 存在する場合のみファイルを削除 (ファイルが存在しなくても例外は発生しない)
    boolean deleted = Files.deleteIfExists(Paths.get("non_existent_file.txt"));
    System.out.println("ファイルが存在しなかったので削除されませんでした: " + deleted);

} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}
      

第3章: モダンなファイルの読み書き

NIO.2は、ファイルの読み書きにおいても、様々なニーズに応えるための多様なメソッドを提供します。

小さなファイルの簡単な読み書き

ファイルサイズが比較的小さく、メモリに一括で読み込んでも問題ない場合は、非常に簡潔なコードで読み書きが可能です。

import java.nio.file.*;
import java.io.IOException;
import java.util.List;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

Path file = Paths.get("small_text_file.txt");

try {
    // 文字列をファイルに書き込む (Java 11以降)
    Files.writeString(file, "こんにちは、NIO.2の世界へ！\nようこそ！", StandardCharsets.UTF_8);

    // ファイルから文字列を一度に読み込む (Java 11以降)
    String content = Files.readString(file, StandardCharsets.UTF_8);
    System.out.println("--- readString ---");
    System.out.println(content);

    // ファイルの全行をリストとして読み込む
    List<String> lines = Files.readAllLines(file, StandardCharsets.UTF_8);
    System.out.println("--- readAllLines ---");
    lines.forEach(System.out::println);

} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}
      

大きなファイルのためのストリーム処理

巨大なファイルを扱う場合、全コンテンツをメモリにロードするのは現実的ではありません。そのような場合は、バッファリングされたストリームを使用するのが定石です。Filesクラスは、従来のReader/WriterやInputStream/OutputStreamを簡単に取得するメソッドを提供します。

import java.nio.file.*;
import java.io.*;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

Path largeFile = Paths.get("large_data.csv");

// try-with-resources文でリソースを自動的にクローズする
try (BufferedWriter writer = Files.newBufferedWriter(largeFile, StandardCharsets.UTF_8)) {
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        writer.write(String.format("ID_%d,Value_%d%n", i, i * 10));
    }
} catch (IOException e) {
    System.err.println("書き込みエラー: " + e.getMessage());
}

try (BufferedReader reader = Files.newBufferedReader(largeFile, StandardCharsets.UTF_8)) {
    String line;
    while ((line = reader.readLine()) != null) {
        // 1行ずつ処理することでメモリ消費を抑える
        // System.out.println(line);
    }
    System.out.println("大きなファイルの読み込みが完了しました。");
} catch (IOException e) {
    System.err.println("読み込みエラー: " + e.getMessage());
}
      

Java 8 Stream APIとの華麗なる連携

NIO.2の真骨頂の一つが、Java 8で導入されたStream APIとのシームレスな統合です。これにより、ファイルやディレクトリの操作を、非常に宣言的かつ表現力豊かに記述できます。

import java.nio.file.*;
import java.io.IOException;
import java.util.stream.Stream;

Path file = Paths.get("small_text_file.txt");

// Files.lines(): ファイルの各行をStreamとして取得
System.out.println("--- Files.lines() ---");
try (Stream<String> stream = Files.lines(file, StandardCharsets.UTF_8)) {
    stream.filter(line -> line.contains("ようこそ"))
          .map(String::toUpperCase)
          .forEach(System.out::println);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

// Files.list(): ディレクトリ直下の内容をStreamとして取得
System.out.println("\n--- Files.list() ---");
Path dir = Paths.get(".");
try (Stream<Path> stream = Files.list(dir)) {
    stream.map(Path::getFileName)
          .forEach(System.out::println);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

// Files.walk(): ディレクトリ階層を再帰的に走査した結果をStreamとして取得
System.out.println("\n--- Files.walk() ---");
try (Stream<Path> stream = Files.walk(dir, 2)) { // 2階層まで
    stream.filter(p -> p.toString().endsWith(".txt"))
          .forEach(System.out::println);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}
      

第4章: `FileVisitor`によるファイルツリーの探索

Files.walk()は手軽ですが、ディレクトリ走査中の各ステップでより複雑な処理を行いたい場合や、エラーハンドリングを細かく制御したい場合には力不足です。そこで登場するのがFileVisitorパターンです。

Files.walkFileTree()メソッドに、FileVisitorインターフェースの実装を渡すことで、ファイルツリーの走査を詳細にコントロールできます。

FileVisitorインターフェースには4つのメソッドが定義されています。

• preVisitDirectory: ディレクトリに入る前に呼び出される。
• visitFile: ファイルを訪れた際に呼び出される。
• visitFileFailed: ファイルへのアクセスに失敗した際に呼び出される。
• postVisitDirectory: ディレクトリ内のすべてのエントリを訪れた後に呼び出される。

通常は、これらのメソッドをすべて実装したSimpleFileVisitorクラスを継承して、必要なメソッドだけをオーバーライドするのが便利です。

以下の例では、ファイルツリーを再帰的に削除する処理を実装してみます。

import java.nio.file.*;
import java.nio.file.attribute.BasicFileAttributes;
import java.io.IOException;

public class RecursiveDeleteVisitor extends SimpleFileVisitor<Path> {

    @Override
    public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
        System.out.println("Deleting file: " + file);
        Files.delete(file);
        return FileVisitResult.CONTINUE;
    }

    @Override
    public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) throws IOException {
        if (exc != null) {
            // ディレクトリ内の処理でエラーが発生した場合
            throw exc;
        }
        System.out.println("Deleting directory: " + dir);
        Files.delete(dir);
        return FileVisitResult.CONTINUE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Path rootDir = Paths.get("./parent_dir");
        try {
            // 事前にディレクトリとファイルを作成
            Files.createDirectories(rootDir.resolve("child_dir"));
            Files.createFile(rootDir.resolve("file1.txt"));
            Files.createFile(rootDir.resolve("child_dir/file2.txt"));
            System.out.println("Test directory created.");
            System.out.println("--- Starting deletion ---");

            // FileVisitorを使って再帰的に削除
            Files.walkFileTree(rootDir, new RecursiveDeleteVisitor());

            System.out.println("--- Deletion complete ---");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
      

第5章: 高度な機能 `WatchService` によるディレクトリ監視

アプリケーションによっては、特定のディレクトリでファイルが作成・変更・削除されたことをリアルタイムに検知したい場合があります。例えば、設定ファイルの自動リロードや、アップロードディレクトリに置かれたファイルの自動処理などです。

このような要求に応えるのがjava.nio.file.WatchServiceです。これは、ファイルシステムの変更イベントを監視するための効率的な仕組みを提供します。

WatchServiceの利用は、以下のステップで行います。

1. FileSystems.getDefault().newWatchService()でWatchServiceインスタンスを取得する。
2. 監視したいPathオブジェクトでregister()メソッドを呼び出し、WatchServiceと監視したいイベントの種類（StandardWatchEventKinds）を登録する。
3. 無限ループ内でwatchService.take()を呼び出し、イベントが発生するまで待機する。このメソッドはブロッキングします。
4. イベントが発生するとWatchKeyが返されるので、pollEvents()で発生したWatchEventのリストを取得し、それぞれ処理する。
5. 最後にwatchKey.reset()を呼び出し、キーをリセットして次のイベントを受け取れるようにする。

以下に、カレントディレクトリの変更を監視する簡単な例を示します。

import java.nio.file.*;
import java.io.IOException;

public class DirectoryWatcherExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (WatchService watchService = FileSystems.getDefault().newWatchService()) {
            Path dirToWatch = Paths.get(".");
            // 監視したいイベントを登録
            dirToWatch.register(watchService,
                    StandardWatchEventKinds.ENTRY_CREATE,
                    StandardWatchEventKinds.ENTRY_DELETE,
                    StandardWatchEventKinds.ENTRY_MODIFY);

            System.out.println("Watching directory: " + dirToWatch.toAbsolutePath());

            WatchKey key;
            // take()はイベントが発生するまでブロックする
            while ((key = watchService.take()) != null) {
                for (WatchEvent<?> event : key.pollEvents()) {
                    System.out.println(
                        "Event kind: " + event.kind()
                        + ". File affected: " + event.context() + "."
                    );
                }
                // キーをリセットして次のイベントを待つ
                boolean valid = key.reset();
                if (!valid) {
                    // ディレクトリがアクセス不能になった場合など
                    break;
                }
            }
        } catch (IOException | InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
      

第6章: `java.io.File` との比較と移行

最後に、改めてjava.io.Fileとjava.nio.fileパッケージ（主にPathとFiles）の違いをまとめます。

相互運用性

既存のライブラリやコードがまだjava.io.Fileを要求する場合でも、心配は無用です。PathとFileは簡単に相互変換できます。

import java.io.File;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;

// Path から File へ
Path path = Paths.get("my-file.txt");
File file = path.toFile();

// File から Path へ
File anotherFile = new File("another-file.txt");
Path anotherPath = anotherFile.toPath();
      

この相互変換機能があるため、既存のコードベースを段階的にNIO.2へ移行させることが可能です。

まとめ

java.nio.fileパッケージは、JavaにおけるファイルI/Oのデファクトスタンダードです。その明確な役割分担、堅牢な例外処理、豊富な機能、そしてStream APIとの優れた親和性は、開発者の生産性とコードの品質を大きく向上させます。

最初は覚えることが多いと感じるかもしれませんが、一度その強力さと便利さを体験すれば、もはや古いjava.io.Fileクラスには戻れなくなるでしょう。本記事で解説した内容を足がかりに、ぜひモダンなJavaファイル操作の世界を探求してみてください。