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Java性能优化之使用NIO提升性能

在软件系统中,由于IO的速度要比内存慢,因此,I/O读写在很多场合都会成为系统的瓶颈。提升I/O速度,对提升系统整体性能有着很大的好处。

在Java的标准I/O中,提供了基于流的I/O实现,即InputStream和OutputStream。这种基于流的实现以字节为单位处理数据,并且非常容易建立各种过滤器。

NIO是New I/O的简称,具有以下特性:

  1. 为所有的原始类型提供(Buffer)缓存支持;
  2. 使用 java.nio.charset.Charset 作为字符集编码解码解决方案;
  3. 增加通道(channel)对象,作为新的原始 I/O 抽象;
  4. 支持锁和内存映射文件的文件访问接口;
  5. 提供了基于 Selector 的异步网络 I/O。

与流式的 I/O 不同,NIO是基于块(Block)的,它以块为基本单位处理数据。在NIO中,最为重要的两个组件是缓冲 Buffer 和通道 Channel 。缓冲是一块连续的内存块,是 NIO 读写数据的中转地。通道表示缓冲数据的源头或者目的地,它用于向缓冲读取或者写入数据,是访问缓冲的接口。

本文主要是介绍通过NIO中的Buffer和Channel,来提升系统性能。

1. NIO的Buffer类族和Channel

在NIO的实现中,Buffer是一个抽象类。JDK为每一种 Java 原生类型都创建了一个Buffer,如图

在NIO中和Buffer配合使用的还有 Channel 。Channel 是一个双向通道,即可读又可写。

应用程序只能通过Buffer对Channel进行读写。比如,在读一个Channel的时候,需要先将数据读入到相应的Buffer,然后在Buffer中进行读取。

一个使用NIO进行文件复制的例子如下:

    @Test
    public void test() throws IOException {
        //写文件通道
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(new File(path_copy));
        FileChannel wchannel = fileOutputStream.getChannel();
        
        //读文件通道
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(new File(path));
        FileChannel rChannel = fileInputStream.getChannel();
        
        ByteBuffer byteBufferRead = ByteBuffer.allocate(1024);//从堆中分配缓冲区
        
        while(rChannel.read(byteBufferRead)!=-1){
            byteBufferRead.flip();//将Buffer从写状态切换到读状态
            while(byteBufferRead.hasRemaining()){
                wchannel.write(byteBufferRead);
            }
            byteBufferRead.clear();//为读入数据到Buffer做准备
        }
        wchannel.close();
        rChannel.close();
    }

2. Buffer的基本原理

buffer中有三个重要参数:位置(position)、容量(capacity)、上限(limit)。

  • 位置(position):当前缓冲区(Buffer)的位置,将从该位置往后读或写数据。
  • 容量(capacity):缓冲区的总容量上限。
  • 上限(limit):缓冲区的实际容量大小。

再回到上面的例子:

在创建ByteBuffer实例后,位置(position)、容量(capacity)、上限(limit)均已初始化!position为0,capacity、limit均为最大长度值。当经过读文件通道的 read() 写入之后,position的位置移动到下一个即将输入的位置,而limit,capacity不变。接着执行flip()操作,该操作会把会把limit移到position的位置,并且把position的位置重置为0。这样做是防止程序读到根本没有进行操作的区域。

然后写文件通道读取ByteBuffer缓冲区的数据,和写操作一样,读操作也会设置position的位置到当前位置。为了便于下次读入数据到缓冲区,我们调用clear()方法将position,capacity,limit初始化。

1、Buffer的创建

第一种从堆中创建

ByteBuffer byteBufferRead = ByteBuffer.allocate(1024);

从既有数组中创建

byte[] bytes = new byte[1024];
ByteBuffer byteBufferRead = ByteBuffer.wrap(bytes);

2、重置和清空缓冲区

Buffer提供了一些用于重置和清空 Buffer 状态的函数,如下:

public final Buffer rewind()
public final Buffer clear()
public final Buffer flip()

rewind() 方法将position置零,并清除标志位(mark)。作用是为提取Buffer的有效数据做准备:

out.write(buf); //从buffer读取数据写入channel
buf.rewind();//回滚buffer
buf.get(array);//将buffer的有效数据复制到数组中

clear()方法将position置零,同时将limit设置为capacity的大小,并清除了mark。为重新写Buffer做准备:

buf.clear();//为读入数据到Buffer做准备
ch.read(buf);

flip()方法先将limit设置到position的位置,并且把position的位置重置为零,并清除mark。通常用于读写转换。

3、标志缓冲区

标志(mark)缓冲区是一项在数据处理时比较有用的功能,它就像书签一样,可以在数据处理过程中。随时记录当前位置,然后在任意时刻,回到这个位置,从而加快或简化数据处理流程。主要函数如下:

public final Buffer mark()
public final Buffer reset()

mark()方法用于记录当前位置,reset()方法用于回到当前位置。

4、复制缓冲区

复制缓冲区是指以原缓冲区为基础,生成一个完全一样的新缓冲区。方法如下:

public abstract ByteBuffer duplicate()

简单来说,复制生成的新的缓冲区与原缓冲区共享相同内存数据,每一方的数据改动都是相互可见的。但是,两者又维护了各自的position、limit和mark。这就大大增加了程序的灵活性,为多方处理数据提供了可能。

5、缓冲区分片

缓存区分片使用slice()方法实现,它将在现有的缓冲区中,创建新的子缓冲区,子缓冲区和父缓冲区共享数据。

public abstract ByteBuffer slice()

新缓冲区的内容将从此缓冲区的当前位置开始。此缓冲区内容的更改在新缓冲区中是可见的,反之亦然;这两个缓冲区的position、limit和mark是相互独立的。 新缓冲区的position位置将为零,其容量和limit将为此缓冲区中所剩余的字节数量,其mark标记是不确定的。当且仅当此缓冲区为只读时,新缓冲区才是只读的。

6、只读缓冲区

可以使用缓冲区对象的asReadOnlyBuffer()方法得到一个与当前缓冲区一致的,并且共享内存数据的只读缓冲区。只读缓冲区对于数据安全非常有用。如果不希望数据被随意修改,返回一个只读缓冲区是很有帮助的。

public abstract ByteBuffer asReadOnlyBuffer()

7、文件映射到内存

NIO提供了一种将文件映射到内存的方法进行I/O操作,它可以比常规的基于流的方式快很多。这个操作主要由FileChannel.map()方法实现。如下

MappedByteBuffer map = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);

以上代码将文件的前1024个字节映射到内存中。返回MappedByteBuffe,它是Buffer的子类,因此,可以像使用ByteBuffer那样使用它。

8、处理结构化数据

NIO提供处理结构化数据的方法,称之为散射(Scattering)和聚集(Gathering)。

散射是指将数据读入一组数据中,而不仅仅是一个。聚集与之相反。

在JDK中,通过GatheringByteChannel, ScatteringByteChannel接口提供相关操作。

下面我用一个示例来说明聚集写于散射读。

示例功能:写入两段话到文件,然后读取打印。

    @Test
    public void test() throws IOException {
        String path = "D:\\test.txt";
        //聚集写
        //这是一组数据
        ByteBuffer byteBuffer1 = ByteBuffer.wrap("Java是最好的工具".getBytes(Charset.forName("UTF-8")));
        ByteBuffer byteBuffer2 = ByteBuffer.wrap("像风一样".getBytes(Charset.forName("UTF-8")));
        //记录数据长度
        int length1 = byteBuffer1.limit();
        int length2 = byteBuffer2.limit();
        //用 ByteBuffer 数组存放ByteBuffer实例的引用。
        ByteBuffer[] byteBuffers = new ByteBuffer[]{byteBuffer1, byteBuffer2};
        //获取文件写通道
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(new File(path));
        FileChannel channel = fileOutputStream.getChannel();
        //开始写
        channel.write(byteBuffers);
        channel.close();
        
        //散射读
        byteBuffer1 = ByteBuffer.allocate(length1);
        byteBuffer2 = ByteBuffer.allocate(length2);
        byteBuffers = new ByteBuffer[]{byteBuffer1,byteBuffer2};
        //获取文件读通道
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(new File(path));
        channel = fileInputStream.getChannel();
        //开始读
        channel.read(byteBuffers);
        //读取
        System.out.println(new String(byteBuffers[0].array(),"utf-8"));
        System.out.println(new String(byteBuffers[1].array(),"utf-8"));
    }

执行完成后,我们打开test.txt文件,看到:Java是最好的工具像风一样

并在控制台打印出:

Java是最好的工具
像风一样

9、直接内存访问

NIO的 Buffer 还提供了一个可以直接访问系统物理内存的类----DirectByteBuffer。

DirectByteBuffer继承自ByteBuffer,但和普通Buffer不同。普通的ByteBuffer仍然在JVM堆上分配空间,其最大内存受到最大堆的限制。而DirectByteBuffer直接分配在物理内存中,并不占用堆空间。而且,DirectByteBuffer是一种更加接近系统底层的方法,所以,它的速度比普通的ByteBuffer更快。

使用很简单,只需要把 ByteBuffer.allocate(1024) 换成 ByteBuffer.allocateDirect(1024) 即可。该方法的源码为

    public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
        return new DirectByteBuffer(capacity);
    }

有必要说明的是,使用参数-XX:MaxDirectMemorySize=10M 可以指定DirectByteBuffer的大小最多是 10M。

DirectByteBuffer的读写比普通Buffer快,但创建和销毁却比普通Buffer慢。但如果能将DirectByteBuffer进行复用,那么,在读写频繁的情况下,它可以大幅改善系统性能。

3.与传统I/O的对比

用传统I/O实现刚开始的文件复制例子,代码如下:

    @Test
    public void test6() throws IOException {
        //缓冲输出流
        BufferedOutputStream bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(new File(path_copy)));
        //缓冲输入流
        BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(new FileInputStream(new File(path)));
        byte[] bytes = new byte[1024];
        while (bufferedInputStream.read(bytes) != -1) {
            bufferedOutputStream.write(bytes);
        }
        bufferedInputStream.close();
        bufferedOutputStream.close();
    }

需要注意的是,虽然使用ByteBuffer读写文件比Stream快很多,但不足以表明两者存在很如此之大的差距。这其中,由于ByteBuffer是将文件一次性读入内存再做后续处理,而Stream方式是则是边读文件边处理数据(虽然使用了缓冲组件 BufferedInputStream),这也是导致两者性能差异的原因之一。虽如此,仍不能掩盖使用NIO的优势。使用NIO替代传统I/O操作,对系统整体性能的优化,应该是有立竿见影的效果的。


附:

位:"位(bit)"是电子计算机中最小的数据单位。每一位的状态只能是0或1。 字节:8个二进制位构成1个"字节(Byte)",它是存储空间的基本计量单位。1个字节可以储存1个英文字母或者半个汉字,换句话说,1个汉字占据2个字节的存储空间。 拿1KB的文件举例:

1Byte = 8Bit
1KB = 1024Byte

当我们进行byte[] bytes = new byte[1024]操作时,相当于开辟了1KB的内存空间。

本文参考《java程序性能优化》葛一鸣著

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