2021-2-19：请问你知道 Java 如何高性能操作文件么？

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-10-30 10:28 155阅读 0赞

一般高性能的涉及到存储框架，例如 RocketMQ，Kafka 这种消息队列，存储日志的时候，都是通过 Java File MMAP 实现的，那么什么是 Java File MMAP 呢？

# 什么是 Java File MMAP #

尽管从**JDK 1.4**版本开始，Java 内存映射文件（Memory Mapped Files）就已经在`java.nio`包中，但它对很多程序开发者来说仍然是一个相当新的概念。引入 NIO 后，Java IO 已经相当快，而且内存映射文件提供了 Java 有可能达到的最快 IO 操作，这也是为什么那些高性能 Java 应用应该使用内存映射文件来持久化数据。  
作为 NIO 的一个重要的功能，MMAP 方法为我们提供了将文件的部分或全部映射到内存地址空间的能力，同当这块内存区域被写入数据之后会变成脏页，操作系统会用一定的算法把这些数据写入到文件中，而我们的 Java 程序不需要去关心这些。这就是内存映射文件的一个关键优势，即使你的程序在刚刚写入内存后就挂了，操作系统仍然会将内存中的数据写入文件系统。  
另外一个更突出的优势是**共享内存**，内存映射文件可以被多个进程同时访问，起到一种低时延共享内存的作用。

# Java File MMAP 与直接操作文件性能对比 #

package com.github.hashZhang.scanfold.jdk.file;
    import java.io.RandomAccessFile;
    import java.nio.ByteBuffer;
    import java.nio.MappedByteBuffer;
    import java.nio.channels.FileChannel;
    import java.util.Random;
    
    public class FileMmapTest {
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            //记录开始时间
            long start = System.currentTimeMillis();
            //通过RandomAccessFile的方式获取文件的Channel，这种方式针对随机读写的文件较为常用，我们用文件一般是随机读写
            RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("./FileMmapTest.txt", "rw");
            FileChannel channel = randomAccessFile.getChannel();
            System.out.println("FileChannel初始化时间：" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
    
            //内存映射文件，模式是READ_WRITE，如果文件不存在，就会被创建
            MappedByteBuffer mappedByteBuffer1 = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 128 * 1024 * 1024);
            MappedByteBuffer mappedByteBuffer2 = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 128 * 1024 * 1024);
    
            System.out.println("MMAPFile初始化时间：" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
    
            start = System.currentTimeMillis();
            testFileChannelSequentialRW(channel);
            System.out.println("FileChannel顺序读写时间：" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
    
            start = System.currentTimeMillis();
            testFileMMapSequentialRW(mappedByteBuffer1, mappedByteBuffer2);
            System.out.println("MMAPFile顺序读写时间：" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
    
            start = System.currentTimeMillis();
            try {
                testFileChannelRandomRW(channel);
                System.out.println("FileChannel随机读写时间：" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
            } finally {
                randomAccessFile.close();
            }
    
            //文件关闭不影响MMAP写入和读取
            start = System.currentTimeMillis();
            testFileMMapRandomRW(mappedByteBuffer1, mappedByteBuffer2);
            System.out.println("MMAPFile随机读写时间：" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
        }
    
    
        public static void testFileChannelSequentialRW(FileChannel fileChannel) throws Exception {
                byte[] bytes = "测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1".getBytes();
                byte[] to = new byte[bytes.length];
                //分配直接内存，减少复制
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(bytes.length);
                //顺序写入
                for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                    byteBuffer.put(bytes);
                    byteBuffer.flip();
                    fileChannel.write(byteBuffer);
                    byteBuffer.flip();
                }
    
                fileChannel.position(0);
                //顺序读取
                for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                    fileChannel.read(byteBuffer);
                    byteBuffer.flip();
                    byteBuffer.get(to);
                    byteBuffer.flip();
                }
        }
    
        public static void testFileMMapSequentialRW(MappedByteBuffer mappedByteBuffer1, MappedByteBuffer mappedByteBuffer2) throws Exception {
            byte[] bytes = "测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2".getBytes();
            byte[] to = new byte[bytes.length];
    
            //顺序写入
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                mappedByteBuffer1.put(bytes);
            }
            //顺序读取
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                mappedByteBuffer2.get(to);
            }
        }
    
        public static void testFileChannelRandomRW(FileChannel fileChannel) throws Exception {
            try {
                byte[] bytes = "测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1测试字符串1".getBytes();
                byte[] to = new byte[bytes.length];
                //分配直接内存，减少复制
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(bytes.length);
                //随机写入
                for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                    byteBuffer.put(bytes);
                    byteBuffer.flip();
                    fileChannel.position(new Random(i).nextInt(bytes.length*100000));
                    fileChannel.write(byteBuffer);
                    byteBuffer.flip();
                }
                //随机读取
                for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                    fileChannel.position(new Random(i).nextInt(bytes.length*100000));
                    fileChannel.read(byteBuffer);
                    byteBuffer.flip();
                    byteBuffer.get(to);
                    byteBuffer.flip();
                }
            } finally {
                fileChannel.close();
            }
        }
    
        public static void testFileMMapRandomRW(MappedByteBuffer mappedByteBuffer1, MappedByteBuffer mappedByteBuffer2) throws Exception {
            byte[] bytes = "测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2测试字符串2".getBytes();
            byte[] to = new byte[bytes.length];
    
            //随机写入
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                mappedByteBuffer1.position(new Random(i).nextInt(bytes.length*100000));
                mappedByteBuffer1.put(bytes);
            }
            //随机读取
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                mappedByteBuffer2.position(new Random(i).nextInt(bytes.length*100000));
                mappedByteBuffer2.get(to);
            }
        }
    }

在这里，我们初始化了一个文件，并把它映射到了128M的内存中。分FileChannel还有MMAP的方式，通过顺序或随机读写，写了一些内容并读取一部分内容。

运行结果是：

FileChannel初始化时间：7ms
    MMAPFile初始化时间：8ms
    FileChannel顺序读写时间：420ms
    MMAPFile顺序读写时间：20ms
    FileChannel随机读写时间：860ms
    MMAPFile随机读写时间：45ms

可以看到，通过MMAP内存映射文件的方式操作文件，更加快速，并且性能提升的相当明显。

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