作者：京东物流 刘作龙
前言：
学习底层原理有的时候不一定你是要用到他，而是学习他的设计思想和思路。再或者，当你在日常工作中遇到棘手的问题时候，可以多一条解决问题的方式
分享大纲：
本次分享主要由io与nio读取文件速度差异的情况，去了解nio为什么读取大文件的时候效率较高，查看nio是如何使用直接内存的,再深入到如何使用直接内存
1 nio与io读写文件的效率比对
首先上代码，有兴趣的同学可以将代码拿下来进行调试查看
1package com.lzl.netty.study.jvm; 2 3import lombok.extern.slf4j.Slf4j; 4import org.springframework.util.StopWatch; 5 6import java.io.FileInputStream; 7import java.io.FileOutputStream; 8import java.io.IOException; 9import java.io.RandomAccessFile; 10import java.nio.ByteBuffer; 11import java.nio.channels.FileChannel; 12 13/** 14 * java对于直接内存使用的测试类 15 * 16 * @author liuzuolong 17 * @date 2022/6/29 18 **/ 19@Slf4j 20public class DirectBufferTest { 21 22 23 private static final int SIZE_10MB = 10 * 1024 * 1024; 24 25 26 public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 27 //读取和写入不同的文件,保证互不影响 28 String filePath1 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/ioInputFile.zip"; 29 String filePath2 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/nioDirectInputFile.zip"; 30 String filePath3 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/nioHeapInputFile.zip"; 31 String toPath1 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/ioOutputFile.zip"; 32 String toPath2 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/nioDirectOutputFile.zip"; 33 String toPath3 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/nioHeapOutputFile.zip"; 34 Integer fileByteLength = SIZE_10MB; 35 //新建io读取文件的线程 36 Thread commonIo = new Thread(() -> { 37 commonIo(filePath1, fileByteLength, toPath1); 38 }); 39 //新建nio使用直接内存读取文件的线程 40 Thread nioWithDirectBuffer = new Thread(() -> { 41 nioWithDirectBuffer(filePath2, fileByteLength, toPath2); 42 }); 43 //新建nio使用堆内存读取文件的线程 44 Thread nioWithHeapBuffer = new Thread(() -> { 45 nioWithHeapBuffer(filePath3, fileByteLength, toPath3); 46 }); 47 nioWithDirectBuffer.start(); 48 commonIo.start(); 49 nioWithHeapBuffer.start(); 50 } 51 52 public static void commonIo(String filePath, Integer byteLength, String toPath) { 53 //进行时间监控 54 StopWatch ioTimeWatch = new StopWatch(); 55 ioTimeWatch.start("ioTimeWatch"); 56 try (FileInputStream fis = new FileInputStream(filePath); 57 FileOutputStream fos = new FileOutputStream(toPath); 58 ) { 59 byte[] readByte = new byte[byteLength]; 60 int readCount = 0; 61 while ((readCount = fis.read(readByte)) != -1) { 62 // 读取了多少个字节，转换多少个。 63 fos.write(readByte, 0, readCount); 64 } 65 } catch (Exception e) { 66 e.printStackTrace(); 67 } 68 ioTimeWatch.stop(); 69 log.info(ioTimeWatch.prettyPrint()); 70 } 71 72 73 74 75 76 public static void nioWithDirectBuffer(String filePath, Integer byteLength, String toPath) { 77 StopWatch nioTimeWatch = new StopWatch(); 78 nioTimeWatch.start("nioDirectTimeWatch"); 79 try (FileChannel fci = new RandomAccessFile(filePath, "rw").getChannel(); 80 FileChannel fco = new RandomAccessFile(toPath, "rw").getChannel(); 81 ) { 82 // 读写的缓冲区（分配一块儿直接内存） 83 //要与allocate进行区分 84 //进入到函数中 85 ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(byteLength); 86 while (true) { 87 int len = fci.read(bb); 88 if (len == -1) { 89 break; 90 } 91 bb.flip(); 92 fco.write(bb); 93 bb.clear(); 94 } 95 96 } catch (IOException e) { 97 e.printStackTrace(); 98 } 99 nioTimeWatch.stop(); 100 log.info(nioTimeWatch.prettyPrint()); 101 } 102 103 104 105 106 public static void nioWithHeapBuffer(String filePath, Integer byteLength, String toPath) { 107 StopWatch nioTimeWatch = new StopWatch(); 108 nioTimeWatch.start("nioHeapTimeWatch"); 109 try (FileChannel fci = new RandomAccessFile(filePath, "rw").getChannel(); 110 FileChannel fco = new RandomAccessFile(toPath, "rw").getChannel(); 111 ) { 112 // 读写的缓冲区（分配一块儿直接内存） 113 //要与allocate进行区分 114 ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(byteLength); 115 while (true) { 116 int len = fci.read(bb); 117 if (len == -1) { 118 break; 119 } 120 bb.flip(); 121 fco.write(bb); 122 bb.clear(); 123 } 124 125 } catch (IOException e) { 126 e.printStackTrace(); 127 } 128 nioTimeWatch.stop(); 129 log.info(nioTimeWatch.prettyPrint()); 130 } 131 132}
1.主函数调用
为排除当前环境不同导致的文件读写效率不同问题，使用多线程分别调用io方法和nio方法
2.分别进行IO调用和NIO调用
通过nio和io的读取写入文件方式进行操作
3.结果
经过多次测试后，发现nio读取文件的效率是高于io的，尤其是读取大文件的时候
11:12:26.606 [Thread-1] INFO com.lzl.netty.study.jvm.DirectBufferTest - StopWatch '': running time (millis) = 1157-----------------------------------------ms % Task name-----------------------------------------01157 100% nioDirectTimeWatch11:12:27.146 [Thread-0] INFO com.lzl.netty.study.jvm.DirectBufferTest - StopWatch '': running time (millis) = 1704-----------------------------------------ms % Task name-----------------------------------------01704 100% ioTimeWatch
4 提出疑问
那到底为什么nio的速度要快于普通的io呢，结合源码查看以及网上的资料，核心原因是：
nio读取文件的时候，使用直接内存进行读取，那么，如果在nio中也不使用直接内存的话，会是什么情况呢？
5.再次验证
新增使用堆内存读取文件
执行时间验证如下：
11:30:35.050 [Thread-1] INFO com.lzl.netty.study.jvm.DirectBufferTest - StopWatch '': running time (millis) = 2653-----------------------------------------ms % Task name-----------------------------------------02653 100% nioDirectTimeWatch11:30:35.399 [Thread-2] INFO com.lzl.netty.study.jvm.DirectBufferTest - StopWatch '': running time (millis) = 3038-----------------------------------------ms % Task name-----------------------------------------03038 100% nioHeapTimeWatch11:30:35.457 [Thread-0] INFO com.lzl.netty.study.jvm.DirectBufferTest - StopWatch '': running time (millis) = 3096-----------------------------------------ms % Task name-----------------------------------------03096 100% ioTimeWatch
根据上述的实际验证，nio读写文件比较快的主要原因还是在于使用了直接内存，那么为什么会出现这种情况呢？
2 直接内存的读写性能强的原理
直接上图说明
1.堆内存读写文件
堆内存读写文件的步骤：
当JVM想要去和磁盘进行交互的时候，因为JVM和操作系统之间存在读写屏障，所以在进行数据交互的时候需要进行频繁的复制
- 先由操作系统进行磁盘的读取，将读取数据放入系统内存缓冲区中
- JVM与系统内存缓冲区进行数据拷贝
- 应用程序再到JVM的堆内存空间中进行数据的获取
2.直接内存读写文件
直接内存读写文件的步骤
如果使用直接内存进行文件读取的时候，步骤如下
- 会直接调用native方法allocateMemory进行直接内存的分配
- 操作系统将文件读取到这部分的直接内存中
- 应用程序可以通过JVM堆空间的DirectByteBuffer进行读取
与使用对堆内存读写文件的步骤相比减少了数据拷贝的过程，避免了不必要的性能开销，因此NIO中使用了直接内存，对于性能提升很多
那么，直接内存的使用方式是什么样的呢？
3 nio使用直接内存的源码解读
在阅读源码之前呢，我们首先对于两个知识进行补充
1.虚引用Cleaner sun.misc.Cleaner
什么是虚引用
虚引用所引用的对象，永远不会被回收，除非指向这个对象的所有虚引用都调用了clean函数，或者所有这些虚引用都不可达
-
必须关联一个引用队列
-
Cleaner继承自虚引用PhantomReference，关联引用队列ReferenceQueue
概述的说一下，他的作用就是，JVM会将其对应的Cleaner加入到pending-Reference链表中，同时通知ReferenceHandler线程处理，ReferenceHandler收到通知后，会调用Cleaner#clean方法
2.Unsafesun misc.Unsafe
位于sun.misc包下的一个类，主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法，如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等，这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。3.直接内存是如何进行申请的 java.nio.DirectByteBuffer
进入到DirectBuffer中进行查看
源码解读
PS:只需要读核心的划红框的位置的源码，其他内容按个人兴趣阅读- 直接调用ByteBuffer.allocateDirect方法
- 声明一个一个DirectByteBuffer对象
- 在DirectByteBuffer的构造方法中主要进行三个步骤
步骤1：调用Unsafe的native方法allocateMemory进行缓存空间的申请,获取到的base为内存的地址
步骤2：设置内存空间需要和步骤1联合进行使用
步骤3：使用虚引用Cleaner类型，创建一个缓存的释放的虚引用
直接缓存是如何释放的
我们前面说的了Cleaner的使用方式，那么cleaner在直接内存的释放中的流程是什么样的呢？3.1 新建虚引用
java.nio.DirectByteBuffer
步骤如下
- 调用Cleaner.create()方法
- 将当前新建的Cleaner加入到链表中
3.2 声明清理缓存任务
查看java.nio.DirectByteBuffer.Deallocator的方法
- 实现了Runnable接口
- run方法中调用了unsafe的native方法freeMemory()进行内存的释放
3.3 ReferenceHandler进行调用
首先进入：java.lang.ref.Reference.ReferenceHandler
当前线程优先级最高，调用方法tryHandlePending
进入方法中，会调用c.clean c—>(Cleaner)
clean方法为Cleaner中声明的Runnable，调用其run()方法
Cleaner中的声明：private final Runnable thunk;回到《声明清理缓存任务》这一节，查看Deallocator，使用unsafe的native方法freeMemory进行缓存的释放
4 直接内存的使用方式
直接内存特性
- nio中比较经常使用，用于数据缓冲区ByteBuffer
- 因为其不受JVM的垃圾回收管理，故分配和回收的成本较高
- 使用直接内存的读写性能非常高
直接内存是否会内存溢出
直接内存是跟系统内存相关的，如果不做控制的话，走的是当前系统的内存，当然JVM中也可以对其使用的大小进行控制，设置JVM参数-XX:MaxDirectMemorySize=5M，再执行的时候就会出现内存溢出直接内存是否会被JVM的GC影响
如果在直接内存声明的下面调用System.gc();因为会触发一次FullGC，则对象会被回收，则ReferenceHandler中的会被调用，直接内存会被释放。我想使用直接内存，怎么办
如果你很想使用直接内存，又想让直接内存尽快的释放，是不是我直接调用System.gc();就行？
答案是不行的- 首先调用System.gc();会触发FullGC，造成stop the world，影响系统性能
- 系统怕有初级研发显式调用System.gc();会配置JVM参数：-XX:+DisableExplicitGC，禁止显式调用
如果还想调用的话，自己使用Unsafe进行操作，以下为示例代码
PS:仅为建议，如果没有对于Unsafe有很高的理解，请勿尝试package com.lzl.netty.study.jvm;import sun.misc.Unsafe;import java.lang.reflect.Field;/** * 使用Unsafe对象操作直接内存 * * @author liuzuolong * @date 2022/7/1 **/public class UnsafeOperateDirectMemory { private static final int SIZE_100MB = 100 * 1024 * 1024; public static void main(String[] args) { Unsafe unsafe = getUnsafePersonal(); long base = unsafe.allocateMemory(SIZE_100MB); unsafe.setMemory(base, SIZE_100MB, (byte) 0); unsafe.freeMemory(base); } /** * 因为Unsafe为底层对象,所以正式是无法获取的,但是反射是万能的,可以通过反射进行获取 * Unsafe自带的方法getUnsafe 是不能使用的,会抛异常SecurityException * 获取 Unsafe对象 * * @return unsafe对象 * @see sun.misc.Unsafe#getUnsafe() */ public static Unsafe getUnsafePersonal() { Field f; Unsafe unsafe; try { f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); f.setAccessible(true); unsafe = (Unsafe) f.get(null); } catch (Exception e) { throw new RuntimeException("initial the unsafe failure..."); } return unsafe; }}5 总结
JVM相关知识是中高级研发人员必备的知识，学习他的一些运行原理，对我们的日常工作会有很大的帮助