大文件拷貝，試試NIO的內存映射

時間 2020-02-11

標籤文件拷貝試試 nio 內存映射欄目 Netty 简体版

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最近項目裏有個需求須要實現文件拷貝，在java中文件拷貝流的讀寫，很容易就想到IO中的InputStream和OutputStream之類的，可是上網查了一下文件拷貝也是有不少種方法的，除了IO，還有NIO、Apache提供的工具類、JDK自帶的文件拷貝方法java

IO拷貝

public class IOFileCopy {

    private static final int BUFFER_SIZE = 1024;

    public static void copyFile(String source, String target) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        try(InputStream in = new FileInputStream(new File(source));
            OutputStream out = new FileOutputStream(new File(target))) {
            byte[] buffer = new byte[BUFFER_SIZE];
            int len;
            while ((len = in.read(buffer)) > 0) {
                out.write(buffer, 0, len);
            }

            System.out.println(String.format("IO file copy cost %d msc", System.currentTimeMillis() - start));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

傳統IO中文件讀取過程能夠分爲如下幾步：windows

內核從磁盤讀取數據到緩衝區，這個過程由磁盤操做器經過DMA操做將數據從磁盤讀取到內核緩衝區，該過程不依賴CPUapp
用戶進程在將數據從內核緩衝區拷貝到用戶空間緩衝區ide
用戶進程從用戶空間緩衝區讀取數據

NIO拷貝

NIO進行文件拷貝有兩種實現方式，一是經過管道，而是經過文件內存內存映射工具

public class NIOFileCopy {

    public static void copyFile(String source, String target) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        try(FileChannel input = new FileInputStream(new File(source)).getChannel();
            FileChannel output = new FileOutputStream(new File(target)).getChannel()) {
            output.transferFrom(input, 0, input.size());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(String.format("NIO file copy cost %d msc", System.currentTimeMillis() - start));
    }
}

文件內存映射：性能

把內核空間地址與用戶空間的虛擬地址映射到同一個物理地址，DMA 硬件能夠填充對內核與用戶空間進程同時可見的緩衝區了。用戶進程直接從內存中讀取文件內容，應用只須要和內存打交道，不須要進行緩衝區來回拷貝，大大提升了IO拷貝的效率。加載內存映射文件所使用的內存在Java堆區以外測試

public class NIOFileCopy2 {

    public static void copyFile(String source, String target) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        try(FileInputStream fis = new FileInputStream(new File(source));
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File(target))) {
            FileChannel sourceChannel = fis.getChannel();
            FileChannel targetChannel = fos.getChannel();
            MappedByteBuffer mappedByteBuffer = sourceChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, sourceChannel.size());
            targetChannel.write(mappedByteBuffer);
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(String.format("NIO memory reflect file copy cost %d msc", System.currentTimeMillis() - start));
        File targetFile = new File(target);
        targetFile.delete();
    }
}

NIO內存映射文件拷貝能夠分爲如下幾步操作系統

NIO的內存映射實際上就是少了一次從內核空間拷貝到用戶空間的過程，將對用戶緩衝區的讀改成從內存讀取code

Files#copyFile方法

public class FilesCopy {

    public static void copyFile(String source, String target) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        try {
            File sourceFile = new File(source);
            File targetFile = new File(target);
            Files.copy(sourceFile.toPath(), targetFile.toPath());
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(String.format("FileCopy file copy cost %d msc", System.currentTimeMillis() - start));
    }
}

FileUtils#copyFile方法

使用FileUtils以前需先引入依賴orm

依賴

<dependency>
    <groupId>commons-io</groupId>
    <artifactId>commons-io</artifactId>
    <version>2.4</version>
</dependency>

FileUtils#copyFile封裝類：FileUtilsCopy.java

public class FileUtilsCopy {

    public static void copyFile(String source, String target) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        try {
            FileUtils.copyFile(new File(source), new File(target));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(String.format("FileUtils file copy cost %d msc", System.currentTimeMillis() - start));
    }
}

性能比較

既然有這麼多種實現方法，確定要從中選擇性能最佳的

測試環境：

windows 10
CPU 6核
JDK1.8

測試代碼：PerformTest.java

public class PerformTest {

    private static final String source1 = "input/test1.txt";
    private static final String source2 = "input/test2.txt";
    private static final String source3 = "input/test3.txt";
    private static final String source4 = "input/test4.txt";
    private static final String target1 = "output/test1.txt";
    private static final String target2 = "output/test2.txt";
    private static final String target3 = "output/test3.txt";
    private static final String target4 = "output/test4.txt";

    public static void main(String[] args) {
        IOFileCopy.copyFile(source1, target1);
        NIOFileCopy.copyFile(source2, target2);
        FilesCopy.copyFile(source3, target3);
        FileUtilsCopy.copyFile(source4, target4);
    }
}

總共執行了五次，讀寫的文件大小分別爲9KB、23KB、239KB、1.77MB、12.7MB

注意：單位均爲毫秒

從執行結果來看：

文件很小時 => IO > NIO【內存映射】> NIO【管道】 > Files#copy > FileUtils#copyFile
在文件較小時 => NIO【內存映射】> IO > NIO【管道】 > Files#copy > FileUtils#copyFile
在文件較大時 => NIO【內存映射】> > NIO【管道】> IO > Files#copy > FileUtils#copyFile
修改IO緩衝區大小對拷貝效率有影響，可是並非越大性能越好，稍大於拷貝文件大小便可

文件較小時，IO效率高於NIO，NIO底層實現較爲複雜，NIO的優點不明顯。同時NIO內存映射初始化耗時，因此在文件較小時和IO複製相比沒有優點

若是追求效率能夠選擇NIO的內存映射去實現文件拷貝，可是對於大文件使用內存映射拷貝要格外關注系統內存的使用率。推薦：大文件拷貝使用內存映射，原文是這樣的:

For most operating systems, mapping a file into memory is more
expensive than reading or writing a few tens of kilobytes of data via
the usual {@link #read read} and {@link #write write} methods.  From the
standpoint of performance it is generally only worth mapping relatively
large files into memory

絕大多數操做系統的內存映射開銷大於IO開銷

同時經過測試結果來看，工具類和JDK提供的文件複製方法效果並不高，若是不追求效率仍是可使用一下，畢竟能少寫一行代碼就少寫一行代碼，寫代碼沒有摸魚來的快樂