2021-2-19：请问你知道 Java 如何高性能操作文件么？

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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