JAVA NIO(五)：如何在5秒内写入10G的文本数据

首先说本机的性能，采用AS SSD Benchmark进行评测，写入能力大约在422M每秒，计划连续写入文本数据，直到达到要求为止(5G数据与10G数据)，测试环境如下：

环境	版本
JDK	1.8.0_131
操作系统	Windows 10 专业版 x64
CPU	Inter i7-3740QM
内存	16G
硬盘	三星512G SSD

1. FileOutputStream与BufferedWriter

原以为FileOutputStream的性能会很低，BufferedWriter会有一定的性能提升，但结果却让我大吃一惊，测试数据如下：

测试编次	采用方式	文件大小	花费时间(秒)
1	BufferedWriter	4.5G	10.678399057
2	BufferedWriter	4.5G	10.808078377
3	FileOutputStream	4.5G	9.755711962
4	FileOutputStream	4.5G	9.457581885

BufferedWrirter竟然还稍稍慢于FileOutputStream，并且FileOutputStream的性能如此惊人，已经完全达到了硬盘的性能巅峰，这说明JAVA的IO优化还是令人非常满意的，相关代码如下：

//  FileOutputStream的写入方式类似，在此略
static void writeBuffer(File file) throws IOException {
    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
    BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(fos));
    int i = 1000000;
    while(i > 0) {
        //  word2048为字符串常量，刚好4800个字节
        writer.write(word2048);
        i --;
    }
    writer.close();
    fos.close();
}

2. ByteBuffer与直接缓冲区

几乎所有的人都推荐，nio性能极佳，那真实的性能到底怎样？

文件大小	采用方式	花费时间(秒)
4.5G	采用直接内存	8.598730553
4.5G	不采用直接内存	8.581370111

从上面的数据可以看出，采用ByteBuffer后，性能约有10%的提升，但令人惊讶的，采不采用直接缓冲区竟然没有差异，这与理论推测又有显著差异(具体请参见《JAVA NIO》第45页)，在这里还有一个可优化的地方，如何选择ByteBuffer的大小是决定写入速度的关键，相关代码如下：

FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
FileChannel fc = fos.getChannel();
//  此数字可优化
int times = 100;
//  word2048为字符串常量，刚好4800个字节
byte[] datas = word2048.getBytes();
ByteBuffer bbuf = ByteBuffer.allocate(4800 * times);
int i = 10000;
while(i > 0) {
    for(int j = 0; j < times; j++) {
        bbuf.put(datas);
    }
    bbuf.flip();
    fc.write(bbuf);
    bbuf.clear();
    i --;
}

从这里来看，跟BIO相比，NIO性能提升并不明显。

3. FileChannel与文件空洞

在nio中，FileChannel可以决定文件的写入位置，这也是能产生文件空洞的主要方法，那么这样，产生大量的文件空洞，是否能加快文件的创建速度呢？

文件大小	采用方式	花费时间
5.1G	改变Channel Position 步进2	13.214593475S
11G	改变Channel Position 步进2	25.849560829S

可以看出，写入速度主要还是受限与磁盘IO，即使少写数据，依旧不能提升速度，反而还有较大幅度的下降，相关代码如下：

FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
FileChannel fc = fos.getChannel();
ByteBuffer bbuf = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
long value = 10 * 1024 * 1024;
//  为什么不一步到位？直接将position设置10G
for(int i = 1; i < 1025; i = i * 2) {
    bbuf.put((byte)1);
    bbuf.flip();
    fc.position(i * value);
    fc.write(bbuf);
    bbuf.clear();
}
fc.close();
fos.close();

在这里需要强调的一点是，文件大小的速度不能增长太快，否则必然出现“IllegalArgumentException”错误，这也是上述代码中需要划分多次循环的原因。

4. 惊人的MappedByteBuffer

早就听说直接内存映射提升IO性能惊人，那到底有多惊人呢？请看测试数据：

文件大小	采用方式	花费时间(秒)
4.5G	内存映射	2.537650656
9G	内存映射	5.303423243

跟前面的最快的NIO方法相比，性能竟然提升了244%，写入速度竟然达到了1.8G每秒，这是怎么做到的？相关代码如下：

//  必须采用RandomAccessFile，并且是rw模式
RandomAccessFile acf = new RandomAccessFile(file, "rw");
FileChannel fc = acf.getChannel();
byte[] bs = word2048.getBytes();
int len = bs.length * 1000;
long offset = 0;
int i = 2000000;
while(i > 0) {
    MappedByteBuffer mbuf = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, offset, len );
    for(int j = 0; j < 1000; j ++) {
        mbuf.put(bs);
    }
    offset = offset + len;
    i = i - 1000;
}
fc.close();

当然，性能提升的代价也是很明显的，内存消耗至少增加了2G（直接内存，不是JAVA堆内存），而前面的方法内存消耗都很少，大多只在30M左右。

5. 其他的现象

1. 同样的文件名，删除了再创建，速度又有10～20%的提升；
2. 字符串转换为字节数组的速度极快，比直接写入字符串的速度更快，这也是BufferedWrirter比FileOutputStream慢的原因；

结论

直接内存映射、直接缓冲区都能提升IO写入的性能，背后的核心技术还是分页技术(请参加操作系统原理)，如何组织分页的范围与写入的频次，是提升性能的关键，另外，写入对内存与CPU性能消耗都不高。