Java性能優化之使用NIO提升性能
在軟件系統中，由於IO的速度要比內存慢，因此，I/O讀寫在很多場合都會成為系統的瓶頸。提升I/O速度，對提升系統整體性能有著很大的好處。
在Java的標準I/O中，提供了基於流的I/O實現，即InputStream和OutputStream。這種基於流的實現以字節為單位處理數據，並且非常容易建立各種過濾器。
NIO是New I/O的簡稱，具有以下特性：
- 為所有的原始類型提供（Buffer）緩存支持；
- 使用 java.nio.charset.Charset 作為字符集編碼解碼解決方案；
- 增加通道（channel）對象，作為新的原始 I/O 抽象；
- 支持鎖和內存映射文件的文件訪問接口；
- 提供了基於 Selector 的異步網絡 I/O。
與流式的 I/O 不同，NIO是基於塊（Block）的，它以塊為基本單位處理數據。在NIO中，最為重要的兩個組件是緩沖 Buffer 和通道 Channel 。緩沖是一塊連續的內存塊，是 NIO 讀寫數據的中轉地。通道表示緩沖數據的源頭或者目的地，它用於向緩沖讀取或者寫入數據，是訪問緩沖的接口。
本文主要是介紹通過NIO中的Buffer和Channel，來提升系統性能。
1. NIO的Buffer類族和Channel
在NIO的實現中，Buffer是一個抽象類。JDK為每一種 Java 原生類型都創建了一個Buffer，如圖
在NIO中和Buffer配合使用的還有 Channel 。Channel 是一個雙向通道，即可讀又可寫。
應用程序只能通過Buffer對Channel進行讀寫。比如，在讀一個Channel的時候，需要先將數據讀入到相應的Buffer，然後在Buffer中進行讀取。
一個使用NIO進行文件復制的例子如下：
@Test public void test() throws IOException { //寫文件通道 FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(new File(path_copy)); FileChannel wchannel = fileOutputStream.getChannel(); //讀文件通道 FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(new File(path)); FileChannel rChannel = fileInputStream.getChannel(); ByteBuffer byteBufferRead = ByteBuffer.allocate(1024);//從堆中分配緩沖區 while(rChannel.read(byteBufferRead)!=-1){ byteBufferRead.flip();//將Buffer從寫狀態切換到讀狀態 while(byteBufferRead.hasRemaining()){ wchannel.write(byteBufferRead); } byteBufferRead.clear();//為讀入數據到Buffer做準備 } wchannel.close(); rChannel.close(); }
2. Buffer的基本原理
buffer中有三個重要參數：位置（position）、容量（capacity）、上限（limit）。
- 位置（position）：當前緩沖區（Buffer）的位置，將從該位置往後讀或寫數據。
- 容量（capacity）：緩沖區的總容量上限。
- 上限（limit）：緩沖區的實際容量大小。
再回到上面的例子：
在創建ByteBuffer實例後，位置（position）、容量（capacity）、上限（limit）均已初始化！position為0，capacity、limit均為最大長度值。當經過讀文件通道的 read() 寫入之後，position的位置移動到下一個即將輸入的位置，而limit，capacity不變。接著執行flip()操作，該操作會把會把limit移到position的位置，並且把position的位置重置為0。這樣做是防止程序讀到根本沒有進行操作的區域。
然後寫文件通道讀取ByteBuffer緩沖區的數據，和寫操作一樣，讀操作也會設置position的位置到當前位置。為了便於下次讀入數據到緩沖區，我們調用clear()方法將position，capacity，limit初始化。
1、Buffer的創建
第一種從堆中創建
ByteBuffer byteBufferRead = ByteBuffer.allocate(1024);從既有數組中創建
byte[] bytes = new byte[1024];
ByteBuffer byteBufferRead = ByteBuffer.wrap(bytes);2、重置和清空緩沖區
Buffer提供了一些用於重置和清空 Buffer 狀態的函數，如下：
public final Buffer rewind()
public final Buffer clear()
public final Buffer flip()rewind() 方法將position置零，並清除標誌位（mark）。作用是為提取Buffer的有效數據做準備：
out.write(buf); //從buffer讀取數據寫入channel
buf.rewind();//回滾buffer
buf.get(array);//將buffer的有效數據復制到數組中clear()方法將position置零，同時將limit設置為capacity的大小，並清除了mark。為重新寫Buffer做準備：
buf.clear();//為讀入數據到Buffer做準備
ch.read(buf);flip()方法先將limit設置到position的位置，並且把position的位置重置為零，並清除mark。通常用於讀寫轉換。
3、標誌緩沖區
標誌（mark）緩沖區是一項在數據處理時比較有用的功能，它就像書簽一樣，可以在數據處理過程中。隨時記錄當前位置，然後在任意時刻，回到這個位置，從而加快或簡化數據處理流程。主要函數如下：
public final Buffer mark()
public final Buffer reset()mark()方法用於記錄當前位置，reset()方法用於回到當前位置。
4、復制緩沖區
復制緩沖區是指以原緩沖區為基礎，生成一個完全一樣的新緩沖區。方法如下：
public abstract ByteBuffer duplicate()簡單來說，復制生成的新的緩沖區與原緩沖區共享相同內存數據，每一方的數據改動都是相互可見的。但是，兩者又維護了各自的position、limit和mark。這就大大增加了程序的靈活性，為多方處理數據提供了可能。
5、緩沖區分片
緩存區分片使用slice()方法實現，它將在現有的緩沖區中，創建新的子緩沖區，子緩沖區和父緩沖區共享數據。
public abstract ByteBuffer slice()新緩沖區的內容將從此緩沖區的當前位置開始。此緩沖區內容的更改在新緩沖區中是可見的，反之亦然；這兩個緩沖區的position、limit和mark是相互獨立的。 新緩沖區的position位置將為零，其容量和limit將為此緩沖區中所剩余的字節數量，其mark標記是不確定的。當且僅當此緩沖區為只讀時，新緩沖區才是只讀的。
6、只讀緩沖區
可以使用緩沖區對象的asReadOnlyBuffer()方法得到一個與當前緩沖區一致的，並且共享內存數據的只讀緩沖區。只讀緩沖區對於數據安全非常有用。如果不希望數據被隨意修改，返回一個只讀緩沖區是很有幫助的。
public abstract ByteBuffer asReadOnlyBuffer()7、文件映射到內存
NIO提供了一種將文件映射到內存的方法進行I/O操作，它可以比常規的基於流的方式快很多。這個操作主要由FileChannel.map()方法實現。如下
MappedByteBuffer map = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);以上代碼將文件的前1024個字節映射到內存中。返回MappedByteBuffe，它是Buffer的子類，因此，可以像使用ByteBuffer那樣使用它。
8、處理結構化數據
NIO提供處理結構化數據的方法，稱之為散射（Scattering）和聚集（Gathering）。
散射是指將數據讀入一組數據中，而不僅僅是一個。聚集與之相反。
在JDK中，通過GatheringByteChannel, ScatteringByteChannel接口提供相關操作。
下面我用一個示例來說明聚集寫於散射讀。
示例功能：寫入兩段話到文件，然後讀取打印。
@Test
public void test() throws IOException {
String path = "D:\\test.txt";
//聚集寫
//這是一組數據
ByteBuffer byteBuffer1 = ByteBuffer.wrap("Java是最好的工具".getBytes(Charset.forName("UTF-8")));
ByteBuffer byteBuffer2 = ByteBuffer.wrap("像風一樣".getBytes(Charset.forName("UTF-8")));
//記錄數據長度
int length1 = byteBuffer1.limit();
int length2 = byteBuffer2.limit();
//用 ByteBuffer 數組存放ByteBuffer實例的引用。
ByteBuffer[] byteBuffers = new ByteBuffer[]{byteBuffer1, byteBuffer2};
//獲取文件寫通道
FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream(new File(path));
FileChannel channel = fileOutputStream.getChannel();
//開始寫
channel.write(byteBuffers);
channel.close();
//散射讀
byteBuffer1 = ByteBuffer.allocate(length1);
byteBuffer2 = ByteBuffer.allocate(length2);
byteBuffers = new ByteBuffer[]{byteBuffer1,byteBuffer2};
//獲取文件讀通道
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(new File(path));
channel = fileInputStream.getChannel();
//開始讀
channel.read(byteBuffers);
//讀取
System.out.println(new String(byteBuffers[0].array(),"utf-8"));
System.out.println(new String(byteBuffers[1].array(),"utf-8"));
}執行完成後，我們打開test.txt文件，看到：Java是最好的工具像風一樣
並在控制臺打印出：
Java是最好的工具
像風一樣9、直接內存訪問
NIO的 Buffer 還提供了一個可以直接訪問系統物理內存的類----DirectByteBuffer。
DirectByteBuffer繼承自ByteBuffer，但和普通Buffer不同。普通的ByteBuffer仍然在JVM堆上分配空間，其最大內存受到最大堆的限制。而DirectByteBuffer直接分配在物理內存中，並不占用堆空間。而且，DirectByteBuffer是一種更加接近系統底層的方法，所以，它的速度比普通的ByteBuffer更快。
使用很簡單，只需要把 ByteBuffer.allocate(1024) 換成 ByteBuffer.allocateDirect(1024) 即可。該方法的源碼為
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
return new DirectByteBuffer(capacity);
}有必要說明的是，使用參數-XX:MaxDirectMemorySize=10M 可以指定DirectByteBuffer的大小最多是 10M。
DirectByteBuffer的讀寫比普通Buffer快，但創建和銷毀卻比普通Buffer慢。但如果能將DirectByteBuffer進行復用，那麽，在讀寫頻繁的情況下，它可以大幅改善系統性能。
3.與傳統I/O的對比
用傳統I/O實現剛開始的文件復制例子，代碼如下：
@Test
public void test6() throws IOException {
//緩沖輸出流
BufferedOutputStream bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(new File(path_copy)));
//緩沖輸入流
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();
}需要註意的是，雖然使用ByteBuffer讀寫文件比Stream快很多，但不足以表明兩者存在很如此之大的差距。這其中，由於ByteBuffer是將文件一次性讀入內存再做後續處理，而Stream方式是則是邊讀文件邊處理數據（雖然使用了緩沖組件 BufferedInputStream），這也是導致兩者性能差異的原因之一。雖如此，仍不能掩蓋使用NIO的優勢。使用NIO替代傳統I/O操作，對系統整體性能的優化，應該是有立竿見影的效果的。
附：應用程序的byte和文件大小KB到底啥關系？
這裏普及一下，我們在電腦可以看到文件的大小是多少KB，MB等等，而我們在系統中是使用基本數據類型byte對數據進行操作。所以byte和KB到底啥關系，有必要了解一下。拿1KB的文件舉例：
1Byte = 8Bit
1KB = 1024Bit
1KB = 128Byte當我們進行byte[] bytes = new byte[1024]操作時，相當於開辟了8KB的內存空間。
Java性能優化之使用NIO提升性能