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調整 JavaTM I/O 性能

2019-11-18 13:25:41
字體：大 中 小
來源：轉載
供稿：網友

　　調整 javaTM I/O 性能
　　
　　Glen McCluskey
　　
　　翻譯：cherami
　　
　　
　　
　　
　　
　　這篇文章討論和闡明了提供 JavaTM I/O 性能的多種技術。大多技術圍繞調整磁盤文件 I/O,但是有些內容也同樣適合網絡 I/O 和窗口輸出。第一部分技術討論底層的I/O問題，然后討論諸如壓縮，格式化和串行化等高級I/O問題。然而這個討論沒有包含應用設計問題，例如搜索算法和數據結構，也沒有討論系統級的問題，例如文件高速緩沖。
　　
　　
　　
　　當我們討論Java I/O時,值得注重的是Java語言采取兩種截然不同的磁盤文件結構。一個是基于字節流，另一個是字符序列。在Java語言中一個字符有兩個字節表示，而不是像通常的語言如c語言那樣是一個字節。因此，從一個文件讀取字符時需要進行轉換。這個不同在某些情況下是很重要的，就像下面的幾個例子將要展示的那樣。
　　
　　
　　
　　低級 I/O 問題
　　
　　
　　
　　加速I/O的基本規則
　　
　　緩沖
　　
　　讀寫文本文件
　　
　　格式化的代價
　　
　　隨機訪問
　　
　　高級I/O問題
　　
　　
　　
　　壓縮
　　
　　高速緩沖
　　
　　分解
　　
　　串行化
　　
　　獲取文件信息
　　
　　更多信息
　　
　　加速I/O的基本規則
　　
　　
　　
　　作為這個討論的開始，這里有幾個如何加速I/O的基本規則:
　　
　　
　　
　　避免訪問磁盤
　　
　　避免訪問底層的操作系統
　　
　　避免方法調用
　　
　　避免個別的處理字節和字符
　　
　　很明顯這些規則不能在所有的問題上避免，因為假如能夠的話就沒有實際的I/O被執行?？紤]下面的計算文件中的新行符('/n')的三部分范例。
　　
　　
　　
　　方法1: read方法
　　
　　第一個方法簡單的使用FileInputStream的read方法:
　　
　　
　　
　　
　　
　　import java.io.*;
　　
　　
　　
　　public class intro1 {
　　
　　public static void main(String args[]) {
　　
　　if (args.length != 1) {
　　
　　System.err.　　
　　System.exit(1);
　　
　　}
　　
　　try {
　　
　　FileInputStream fis =
　　
　　new FileInputStream(args[0]);
　　
　　int cnt = 0;
　　
　　int b;
　　
　　while ((b = fis.read()) != -1) {
　　
　　if (b == '/n')
　　
　　cnt++;
　　
　　}
　　
　　fis.close();
　　
　　System.out.println(cnt);
　　
　　}
　　
　　catch (IOException e) {
　　
　　System.err.println(e);
　　
　　}
　　
　　}
　　
　　}
　　
　　
　　
　　然而這個方法觸發了大量的底層運行時系統調用－－FileInputStream.read－－返回文件的下一個字節的本機方法。
　　
　　方法 2: 使用大緩沖區
　　
　　第二種方法使用大緩沖區避免了上面的問題:
　　
　　
　　
　　
　　
　　import java.io.*;
　　
　　
　　
　　public class intro2 {
　　
　　public static void main(String args[]) {
　　
　　if (args.length != 1) {
　　
　　System.err.println("missing filename");
　　
　　System.exit(1);
　　
　　}
　　
　　try {
　　
　　FileInputStream fis =
　　
　　new FileInputStream(args[0]);
　　
　　BufferedInputStream bis =
　　
　　new BufferedInputStream(fis);
　　
　　int cnt = 0;
　　
　　int b;
　　
　　while ((b = bis.read()) != -1) {
　　
　　if (b == '/n')
　　
　　cnt++;
　　
　　}
　　
　　bis.close();
　　
　　System.out.println(cnt);
　　
　　}
　　
　　catch (IOException e) {
　　
　　System.err.println(e);
　　
　　}
　　
　　}
　　
　　}
　　
　　
　　
　　BufferedInputStream.read 從輸入緩沖區獲取下一個字節，僅僅只訪問了一次底層系統。
　　
　　方法 3: 直接緩沖
　　
　　第三種方法避免使用 BufferedInputStream 而直接緩沖，因此排除了 read 方法的調用:
　　
　　
　　
　　
　　
　　import java.io.*;
　　
　　
　　
　　public class intro3 {
　　
　　public static void main(String args[]) {
　　
　　if (args.length != 1) {
　　
　　System.err.println("missing filename");
　　
　　System.exit(1);
　　
　　}
　　
　　try {
　　
　　FileInputStream fis =
　　
　　new FileInputStream(args[0]);
　　
　　byte buf[] = new byte[2048];
　　
　　int cnt = 0;
　　
　　int n;
　　
　　while ((n = fis.read(buf)) != -1) {
　　
　　for (int i = 0; i < n; i++) {
　　
　　if (buf[i] == '/n')
　　
　　cnt++;
　　
　　}
　　
　　}
　　
　　fis.close();
　　
　　System.out.println(cnt);
　　
　　}
　　
　　catch (IOException e) {
　　
　　System.err.println(e);
　　
　　}
　　
　　}
　　
　　}
　　
　　
　　
　　對于一個1 MB 的輸入文件，以秒為單位的執行時間是:
　　
　　
　　
　　
　　
　　intro1 6.9
　　
　　intro2 0.9
　　
　　intro3 0.4
　　
　　
　　
　　或者說在最慢的方法和最快的方法間是17比1的不同。
　　
　　
　　
　　這個巨大的加速并不能證實你應該總是使用第三種方法，即自己做緩沖。這可能是一個錯誤的傾向非凡是在處理文件結束事件時沒有仔細的實現。在可讀性上它也沒有其它方法好。但是記住時間花費在哪兒了以及在必要的時候如何矯正是很有用。
　　
　　
　　
　　方法2 或許是對于大多應用的 "正確" 方法.
　　
　　
　　
　　緩沖
　　
　　
　　
　　方法 2 和 3 使用了緩沖技術, 大塊文件被從磁盤讀取，然后每次訪問一個字節或字符。緩沖是一個基本而重要的加速I/O 的技術,而且有幾個類支持緩沖(BufferedInputStream 用于字節, BufferedReader 用于字符)。
　　
　　
　　
　　一個明顯得問題是: 緩沖區越大I/O越快嗎？典型的Java緩沖區長1024 或者 2048 字節，一個更大的緩沖區有可能加速 I/O但是只能占很小的比重，大約5 到10%。
　　
　　
　　
　　方法4: 整個文件
　　
　　緩沖的極端情況是事先決定整個文件的長度，然后讀取整個文件:
　　
　　
　　
　　
　　
　　import java.io.*;
　　
　　
　　
　　public class readfile {
　　
　　public static void main(String args[]) {
　　
　　if (args.length != 1) {
　　
　　System.err.println("missing filename");
　　
　　System.exit(1);
　　
　　}
　　
　　try {
　　
　　int len = (int)(new File(args[0]).length());
　　
　　FileInputStream fis =
　　
　　new FileInputStream(args[0]);
　　
　　byte buf[] = new byte[len];
　　
　　fis.read(buf);
　　
　　fis.close();
　　
　　int cnt = 0;
　　
　　for (int i = 0; i < len; i++) {
　　
　　if (buf[i] == '/n')
　　
　　cnt++;
　　
　　}
　　
　　System.out.println(cnt);
　　
　　}
　　
　　catch (IOException e) {
　　
　　System.err.println(e);
　　
　　}
　　
　　}
　　
　　}
　　
　　
　　
　　這個方法很方便，在這里文件被當作一個字節數組。但是有一個明顯得問題是有可能沒有讀取一個巨大的文件的足夠的內存。
　　
　　緩沖的另一個方面是向窗口終端的文本輸出。缺省情況下， System.out ( 一個PrintStream) 是行緩沖的，這意味著在碰到一個新行符后輸出緩沖區被提交。對于交互來說這是很重要的，在那種情況下你可能喜歡在實際的輸出前顯示一個輸入提示。
　　
　　
　　
　　方法 5: 關閉行緩沖
　　
　　行緩沖可以被禁止，像下面的例子那樣:
　　
　　
　　
　　
　　
　　import java.io.*;
　　
　　
　　
　　public class bufout {
　　
　　public static void main(String args[]) {
　　
　　FileOutputStream fdout =
　　
　　new FileOutputStream(FileDescriptor.out);
　　
　　BufferedOutputStream bos =
　　
　　new BufferedOutputStream(fdout, 1024);
　　
　　PrintStream ps =
　　
　　new PrintStream(bos, false);
　　
　　
　　
　　System.setOut(ps);
　　
　　
　　
　　final int N = 100000;
　　
　　
　　
　　for (int i = 1; i <= N; i++)
　　
　　System.out.println(i);
　　
　　
　　
　　ps.close();
　　
　　}

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