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

package com.lzl.netty.study.jvm; import lombok.extern.slf4j.Slf4j; import org.springframework.util.StopWatch; import java.io.FileInputStream; import java.io.FileOutputStream; import java.io.IOException; import java.io.RandomAccessFile; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.FileChannel; /** * java对于直接内存使用的测试类 * * @author liuzuolong * @date 2022/6/29 **/ @Slf4j public class DirectBufferTest { private static final int SIZE_10MB = 10 * 1024 * 1024; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { //读取和写入不同的文件,保证互不影响 String filePath1 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/ioInputFile.zip"; String filePath2 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/nioDirectInputFile.zip"; String filePath3 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/nioHeapInputFile.zip"; String toPath1 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/ioOutputFile.zip"; String toPath2 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/nioDirectOutputFile.zip"; String toPath3 = "/Users/liuzuolong/CODE/OWN/netty-study/src/main/resources/nioHeapOutputFile.zip"; Integer fileByteLength = SIZE_10MB; //新建io读取文件的线程 Thread commonIo = new Thread(() -> { commonIo(filePath1, fileByteLength, toPath1); }); //新建nio使用直接内存读取文件的线程 Thread nioWithDirectBuffer = new Thread(() -> { nioWithDirectBuffer(filePath2, fileByteLength, toPath2); }); //新建nio使用堆内存读取文件的线程 Thread nioWithHeapBuffer = new Thread(() -> { nioWithHeapBuffer(filePath3, fileByteLength, toPath3); }); nioWithDirectBuffer.start(); commonIo.start(); nioWithHeapBuffer.start(); } public static void commonIo(String filePath, Integer byteLength, String toPath) { //进行时间监控 StopWatch ioTimeWatch = new StopWatch(); ioTimeWatch.start("ioTimeWatch"); try (FileInputStream fis = new FileInputStream(filePath); FileOutputStream fos = new FileOutputStream(toPath); ) { byte[] readByte = new byte[byteLength]; int readCount = 0; while ((readCount = fis.read(readByte)) != -1) { // 读取了多少个字节，转换多少个。 fos.write(readByte, 0, readCount); } } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } ioTimeWatch.stop(); log.info(ioTimeWatch.prettyPrint()); } public static void nioWithDirectBuffer(String filePath, Integer byteLength, String toPath) { StopWatch nioTimeWatch = new StopWatch(); nioTimeWatch.start("nioDirectTimeWatch"); try (FileChannel fci = new RandomAccessFile(filePath, "rw").getChannel(); FileChannel fco = new RandomAccessFile(toPath, "rw").getChannel(); ) { // 读写的缓冲区（分配一块儿直接内存） //要与allocate进行区分 //进入到函数中 ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(byteLength); while (true) { int len = fci.read(bb); if (len == -1) { break; } bb.flip(); fco.write(bb); bb.clear(); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } nioTimeWatch.stop(); log.info(nioTimeWatch.prettyPrint()); } public static void nioWithHeapBuffer(String filePath, Integer byteLength, String toPath) { StopWatch nioTimeWatch = new StopWatch(); nioTimeWatch.start("nioHeapTimeWatch"); try (FileChannel fci = new RandomAccessFile(filePath, "rw").getChannel(); FileChannel fco = new RandomAccessFile(toPath, "rw").getChannel(); ) { // 读写的缓冲区（分配一块儿直接内存） //要与allocate进行区分 ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(byteLength); while (true) { int len = fci.read(bb); if (len == -1) { break; } bb.flip(); fco.write(bb); bb.clear(); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } nioTimeWatch.stop(); log.info(nioTimeWatch.prettyPrint()); } } 

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