我們都知道，在當前的大數(shù)據(jù)時代背景下，I/O的速度比內(nèi)存要慢，尤其是性能問題與I/O相關的問題更加突出。

在許多應用場景中，I/O讀寫操作已經(jīng)成為系統(tǒng)性能的一個重要瓶頸，這是不能忽視的。

什么是I/O？

I/O作為機器獲取和交換信息的主要渠道，流是執(zhí)行I/O操作的主要方法。

在計算機中，流表示信息的傳輸。流保持順序，因此針對特定的機器或應用程序，我們通常將從外部獲得的信息稱為輸入流（InputStream），將從機器或應用程序發(fā)送出去的信息稱為輸出流（OutputStream）。

它們一起被稱為輸入/輸出流（I/O流）。

當機器或程序交換信息或數(shù)據(jù)時，它們通常首先將對象或數(shù)據(jù)轉換為一種特定形式的流。

然后，通過流的傳輸，數(shù)據(jù)到達指定的機器或程序。在目標位置，流被轉換回對象數(shù)據(jù)。

因此，流可以被視為一種攜帶數(shù)據(jù)的手段，促進數(shù)據(jù)的交換和傳輸。

Java的I/O操作類位于java.io包中。其中，InputStream、OutputStream、Reader和Writer類是I/O包中的四個基本類。

它們分別處理字節(jié)流和字符流。下面的圖表說明了這一點：

+-------------+  
|   InputStream   |  
+------+------+
^  
|  
+---------+---------+
|       FileInputStream     |
+-----------------------+

+-------------+  
|   OutputStream  |  
+------+------+
^  
|  
+---------+---------+
|     FileOutputStream   |
+-----------------------+

+-------------+  
|       Reader        |  
+------+------+
^  
|  
+----------+---------+
|     FileReader         |
+-----------------------+

+-------------+  
|       Writer         |  
+------+------+
^  
|  
+----------+---------+
|    FileWriter         |
+-----------------------+

無論是文件讀寫還是網(wǎng)絡傳輸/接收，信息的最小存儲單元始終是字節(jié)。那么為什么I/O流操作被分類為字節(jié)流操作和字符流操作呢？

我們知道，將字符轉換為字節(jié)需要編碼，而這個過程可能是耗時的。

如果我們不知道編碼類型，很容易遇到字符亂碼等問題。因此，I/O流提供了與字符直接工作的接口，使我們在日常工作中可以方便地進行字符流操作。

字節(jié)流

InputStream和OutputStream是字節(jié)流的抽象類，這兩個抽象類派生出了幾個子類，每個子類都設計用于不同類型的操作。

根據(jù)具體要求，您可以選擇不同的子類來實現(xiàn)相應的功能。

• 如果需要執(zhí)行文件讀寫操作，可以使用FileInputStream和FileOutputStream。它們適用于從文件讀取數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)寫入文件。
• 如果要使用數(shù)組進行讀寫操作，可以使用ByteArrayInputStream和ByteArrayOutputStream。這些類允許您將數(shù)據(jù)讀取和寫入字節(jié)數(shù)組。
• 如果要進行常規(guī)字符串讀寫操作，并希望引入緩沖以提高性能，可以使用BufferedInputStream和BufferedOutputStream。這些類在讀寫過程中引入了緩沖區(qū)，有效地減少了實際的I/O操作次數(shù)，從而提高了效率。

字符流

Reader和Writer是字符流的抽象類，這兩個抽象類也派生出了幾個子類，每個子類都設計用于不同類型的操作。具體細節(jié)如下圖所示：

+---------+  
|   Reader    |  
+------+------+
^  
|  
+---------+---------+
|   InputStreamReader   |
+-----------------------+
|      FileReader          |
+-----------------------+
|      CharArrayReader   |
+-----------------------+

+---------+  
|    Writer    |  
+------+------+
^  
|  
+---------+---------+
|   OutputStreamWriter   |
+-----------------------+
|      FileWriter          |
+-----------------------+
|      CharArrayWriter   |
+-----------------------+

I/O性能問題

我們知道，I/O操作可以分為磁盤I/O操作和網(wǎng)絡I/O操作。

前者涉及將數(shù)據(jù)從磁盤源讀取到內(nèi)存中，然后將讀取的信息持久化到物理磁盤中。

后者涉及將網(wǎng)絡中的信息獲取到內(nèi)存中，最終將信息傳輸回網(wǎng)絡。

然而，無論是磁盤I/O還是網(wǎng)絡I/O，在傳統(tǒng)I/O系統(tǒng)中都會遇到顯著的性能問題。

1. 多次內(nèi)存復制

在傳統(tǒng)I/O中，我們可以使用InputStream從源讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)流輸入到緩沖區(qū)中。然后，我們可以使用OutputStream將數(shù)據(jù)輸出到外部設備，包括磁盤和網(wǎng)絡。

在繼續(xù)之前，您可以查看操作系統(tǒng)中輸入操作的具體過程，如下圖所示：

• JVM發(fā)起read()系統(tǒng)調(diào)用，并向內(nèi)核發(fā)送讀取請求。
• 內(nèi)核向硬件發(fā)送讀取命令，等待數(shù)據(jù)準備好。
• 內(nèi)核將數(shù)據(jù)復制到自己的緩沖區(qū)中。
• 操作系統(tǒng)

的內(nèi)核將數(shù)據(jù)復制到用戶空間緩沖區(qū)中，然后read()系統(tǒng)調(diào)用返回。

在此過程中，數(shù)據(jù)首先從外部設備復制到內(nèi)核空間，然后從內(nèi)核空間復制到用戶空間。

這導致了兩次內(nèi)存復制操作。這些操作導致不必要的數(shù)據(jù)復制和上下文切換，最終降低了I/O的性能。

2. 阻塞

在傳統(tǒng)I/O中，InputStream的read()操作通常是使用while循環(huán)實現(xiàn)的。它持續(xù)等待數(shù)據(jù)準備好后才返回。

這意味著如果沒有準備好的數(shù)據(jù)，讀取操作將一直等待，導致用戶線程被阻塞。

在連接請求較少的情況下，這種方法效果良好，提供快速的響應時間。

然而，在處理大量連接請求時，創(chuàng)建大量的監(jiān)聽線程變得必要。在這種情況下，如果線程等待未準備好的數(shù)據(jù)，它將被阻塞并進入等待狀態(tài)。

一旦線程被阻塞，它們將不斷爭奪CPU資源，導致頻繁的CPU上下文切換。這種情況增加了系統(tǒng)的性能開銷。

這就是為什么在具有高并發(fā)需求的場景中，由于線程管理和上下文切換的高成本，傳統(tǒng)的阻塞式I/O可能變得效率低下的原因。

通常使用異步編程和非阻塞I/O技術來緩解這些問題，并提高系統(tǒng)效率。

如何優(yōu)化I/O操作？

1. 使用緩沖

使用緩沖是優(yōu)化讀寫流操作的有效方法，減少頻繁的磁盤或網(wǎng)絡訪問，從而提高性能。以下是使用緩沖來優(yōu)化讀寫流操作的一些方法：

• 使用緩沖流：Java提供了類似BufferedReader和BufferedWriter的類，可以包裝其他輸入和輸出流，在讀寫操作期間引入緩沖機制。這允許批量讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，減少了實際I/O操作的頻率。
• 指定緩沖區(qū)大?。涸趧?chuàng)建緩沖流時，您可以指定緩沖區(qū)的大小。根據(jù)數(shù)據(jù)量和性能要求選擇適當?shù)木彌_區(qū)大小，可以優(yōu)化讀寫操作。
• 使用java.nio：Java NIO(新I/O)庫提供了更靈活和高效的緩沖管理。通過使用諸如ByteBuffer之類的緩沖類，您可以更好地管理內(nèi)存和數(shù)據(jù)。
• 一次性讀取或?qū)懭攵鄠€項：通過使用適當?shù)腁PI，您可以一次性讀取或?qū)懭攵鄠€數(shù)據(jù)項，減少I/O操作次數(shù)。
• 合并操作：如果需要執(zhí)行連續(xù)的讀取或?qū)懭氩僮?，請考慮將它們合并為更大的操作，以減少系統(tǒng)調(diào)用的開銷。
• 及時刷新：對于輸出流，及時調(diào)用flush()方法可以確保數(shù)據(jù)立即寫入目標，而不僅僅停留在緩沖區(qū)中。
• 使用try-with-resources：在Java 7及更高版本中，使用try-with-resources可以確保在操作完成后自動關閉流并釋放資源，避免資源泄漏。

以下是使用緩沖進行文件讀寫的示例代碼片段：

try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader("input.txt"));
     BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new FileWriter("output.txt"))) {

    String line;
    while ((line = reader.readLine()) != null) {
        // 處理行
        writer.write(line);
        writer.newLine(); // 添加新行
    }

} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

2. 使用DirectBuffer減少內(nèi)存復制

使用DirectBuffer是一種減少I/O操作中內(nèi)存復制的技術，特別是在Java NIO（新I/O）的上下文中。

DirectBuffer允許您直接使用非堆內(nèi)存，這可以導致Java和本地代碼之間更有效的數(shù)據(jù)傳輸。

在涉及大量數(shù)據(jù)的I/O操作中，這可能特別有益。

以下是如何使用DirectBuffer減少內(nèi)存復制的方法：

• 分配DirectBuffer：不要使用傳統(tǒng)的Java堆基數(shù)組，而是使用諸如ByteBuffer.allocateDirect()之類的類從本地內(nèi)存中分配DirectBuffer。
• 包裝現(xiàn)有緩沖區(qū)：您還可以使用ByteBuffer.wrap()來包裝現(xiàn)有的本地內(nèi)存緩沖區(qū)，只需指定本地內(nèi)存地址。
• 與通道I/O一起使用：當使用NIO通道(FileChannel、SocketChannel等)時，可以直接將數(shù)據(jù)讀入DirectBuffer或直接從DirectBuffer寫入數(shù)據(jù)，無需額外的復制。
• 與JNI一起使用：如果通過Java本地接口(JNI)與本機代碼一起工作，使用DirectBuffer可以使您的本機代碼直接訪問和操作數(shù)據(jù)，而無需昂貴的內(nèi)存復制。
• 注意內(nèi)存釋放：請記住，當您使用完DirectBuffer時，需要顯式地釋放直接內(nèi)存，以防止內(nèi)存泄漏。調(diào)用DirectBuffer上的cleaner()方法以釋放關聯(lián)的本地內(nèi)存。

以下是在ByteBuffer中使用DirectBuffer以進行高效I/O的簡化示例：

try (FileChannel channel = FileChannel.open(Paths.get("data.bin"), StandardOpenOption.READ)) {
    int bufferSize = 4096; // 根據(jù)需要調(diào)整
    ByteBuffer directBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(bufferSize);



 int bytesRead;
    while ((bytesRead = channel.read(directBuffer)) != -1) {
        directBuffer.flip(); // 準備讀取
        // 在直接緩沖區(qū)中處理數(shù)據(jù)
        // ...

        directBuffer.clear(); // 準備下一次讀取
    }

} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

3. 避免阻塞并優(yōu)化I/O操作

避免阻塞并優(yōu)化I/O操作是提高系統(tǒng)性能和響應性的關鍵。以下是實現(xiàn)這些目標的一些方法：

• 使用非阻塞I/O：采用非阻塞I/O技術，如Java NIO，允許程序在等待數(shù)據(jù)準備就緒時繼續(xù)執(zhí)行其他任務。這可以通過選擇器實現(xiàn)，它使單個線程能夠處理多個通道。
• 利用異步I/O：異步I/O允許程序提交I/O操作并在完成時得到通知。Java NIO2(Java 7+)提供了異步I/O的支持。這減少了線程阻塞，并使其他任務能夠在等待I/O完成時執(zhí)行。
• 使用線程池：有效地利用線程池管理線程資源，避免為每個連接創(chuàng)建新線程。這減少了線程創(chuàng)建和銷毀的開銷。
• 利用事件驅(qū)動模型：利用諸如Reactor、Netty等事件驅(qū)動框架可以有效地管理連接和I/O事件，實現(xiàn)高效的非阻塞I/O。
• 分離CPU密集型和I/O操作：將CPU密集型任務與I/O操作分開，以防止I/O阻塞CPU?？梢允褂枚嗑€程或多進程進行分離。
• 批量處理：將多個小的I/O操作合并為一個更大的批量操作，減少單獨操作的開銷，提高效率。
• 使用緩沖區(qū)：使用緩沖區(qū)減少頻繁的磁盤或網(wǎng)絡訪問，提高性能。這適用于文件I/O和網(wǎng)絡I/O。
• 定期維護和優(yōu)化：定期監(jiān)控和優(yōu)化磁盤、網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫等資源，以確保它們保持良好的性能。
• 使用專門的框架：選擇適當?shù)目蚣?，如Netty、Vert.x等，這些框架具有高效的非阻塞和異步I/O功能。

根據(jù)您的應用場景和要求，您可以實現(xiàn)其中一個或多個方法，以避免阻塞，優(yōu)化I/O操作，并增強系統(tǒng)性能和響應性。

4. 通道

正如前面所討論的，傳統(tǒng)的I/O最初依賴于InputStream和OutputStream操作流，這些流按字節(jié)為單位工作。

在高并發(fā)和大數(shù)據(jù)的情況下，這種方法很容易導致阻塞，從而導致性能下降。

此外，從用戶空間復制輸出數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間，然后再復制到輸出設備，增加了系統(tǒng)性能開銷。

為了解決性能問題，傳統(tǒng)的I/O后來引入了緩沖作為緩解阻塞的手段。

它使用緩沖塊作為最小單元。然而，即使使用緩沖，整體性能仍然不夠理想。

然后出現(xiàn)了NIO（新I/O），它基于緩沖塊單元操作。

在緩沖的基礎上，它引入了兩個組件：“通道”和“選擇器”。這些補充使得非阻塞I/O操作成為可能。

NIO非常適合具有大量I/O連接請求的情況。這三個組件共同增強了I/O的整體性能。