摘 要：程序的I/O性能是影響程序性能的關鍵之一。有效地使用緩沖機制可以極大地提高程序的I/O性能。本文首先對java.io包做了一個簡要的介紹，指出導致I/O性能低下的根本原因，然后循序漸進地采取了三種策略，逐步將I/O性能提高到168倍，這三種策略分別是采用緩沖流，定制自己的緩沖區(qū)，定制靜態(tài)的固定長度的緩沖區(qū)。

關鍵詞：I/O性能；流；緩沖區(qū)；分配和回收

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

Java應用程序都會經(jīng)常使用java.io包，例如磁盤文件讀寫和通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)。然而初學者由于對java.io包的理解的局限性導致編寫的程序I/O性能很差。所幸的是，只要對java.io包有了很好的理解，就可以杜絕這方面的問題，從而保證程序擁有較好的I/O性能。

本文首先對java.io包做一個簡要的介紹，然后指出導致I/O性能低下的根本原因是沒有采用緩沖機制，然后循序漸進地采取了三種策略，將I/O性能逐步提高到168倍，這三種策略分別是采用緩沖流，定制自己的緩沖區(qū)，定制靜態(tài)的固定長度的緩沖區(qū)。

1 I/O操作的基本概念

在Java I/O中最基本的概念是流（Stream），流是一個連續(xù)的字節(jié)序列，包括輸入流和輸出流，輸入流用來讀取這個序列，而輸出流則用來寫這個序列，在默認情況下Java的流操作是基于字節(jié)的，即一次只讀或只寫一個字節(jié)。

java.io包提供了InputStream和OutputStream作為對I/O操作的抽象，這兩個接口決定了類層次結構的基本格局。InputStream和OutputStream的具體實現(xiàn)類提供了對不同數(shù)據(jù)源的訪問，如磁盤文件和網(wǎng)絡連接。

java.io包還提供了過濾流（Filter Stream），過濾流并不指向具體的數(shù)據(jù)源，而是在其他流之上進行了包裝，這些過濾流其實是java.io包的核心。從性能的角度來看，最重要的過濾流是緩沖流（Buffered Stream），圖1顯示了一個簡化的類層次結構圖。

2 緩沖流

導致I/O性能低下的主要原因是沒有對I/O操作進行緩沖。眾所周知，硬盤擅長于大塊數(shù)據(jù)的讀寫，但是在小量數(shù)據(jù)的讀寫上性能不好，所以，為了最大化I/O性能，我們應該選擇批量的數(shù)據(jù)操作，而緩沖流正是為這個目的設計的。緩沖流，包括BufferedInputStream和BufferedOutputStream， 它為I/O流增加了內存緩沖區(qū)，使得Java程序一次可以向底層設備寫入或者讀取大量數(shù)據(jù)，從而提高了程序的性能。

為了更好地理解緩沖流的效果，請閱讀程序清單一，這個例子采用了原始的文件流實現(xiàn)文件的拷貝。copy方法打開了一個FileInputStream 和一個FileOutputStream，并將數(shù)據(jù)從一個流直接拷貝到另一個流。由于read和write方法是基于字節(jié)的，所以實際的磁盤讀寫也是按字節(jié)發(fā)生的。實踐證明使用這段代碼拷貝一個8M的文本文件需要花費36750ms。

程序清單一中的copy方法只需稍作修改就能有效地改善性能，如程序清單二所示，它在原始的文件流之上采用了緩沖流BufferedInputStream和BufferedOutputStream，緩沖流將每一個小的讀寫請求積攢起來，然后一次性地批處理，通常是將幾千個讀寫請求合并成一個大的請求。改進后的copy方法拷貝一個8M的文本文件需要花費1187ms，性能大約提高了31倍。

3 建立自己的緩沖

緩沖流雖然在它的內部增加了內存緩沖區(qū)，使得在緩沖區(qū)和底層設備之間寫入或讀取大量數(shù)據(jù)成為可能[2，3]，但是在這之上Java程序仍舊使用while循環(huán)從該流（實際上是緩沖數(shù)組）按字節(jié)讀寫數(shù)據(jù)。由于緩沖數(shù)組的大小是一定的，JVM需要針對數(shù)組做越界檢查，該操作會導致額外的系統(tǒng)開銷。另一方面，為了支持多線程環(huán)境，將數(shù)據(jù)從BufferedInputStream的緩沖數(shù)組拷貝到BufferedOutputStream的緩沖數(shù)組，其中的方法調用很多都是synchronized， 這也會導致額外的系統(tǒng)開銷。所以盡管程序清單二所示代碼可以有效地改善性能，但是改善的程度仍然不盡人意。

還是利用硬盤擅長讀寫大塊數(shù)據(jù)這一特性，我們可以自己建立緩沖，以避免上述額外的系統(tǒng)開銷。這需要使用InputStream和OutputStream提供的兩個重載方法，它們允許按字節(jié)讀寫，也可以按字節(jié)數(shù)組讀寫，如下所示：

public int read（）；

public int read（byte[] bytes）；

public int write（）；

public int write（byte[] bytes）；

程序清單三創(chuàng)建了自己的緩沖區(qū)，即字節(jié)數(shù)組byte[] buffer， 其大小是整個文件的字節(jié)長度，然后將整個文件一次性讀入內存，再一次性寫到另一個文件。這個代碼非常快，拷貝一個8M的文本文件所花費時間降低到750ms。

注意，使用這個策略需要權衡兩個因素。首先是緩沖區(qū)的大小，它所創(chuàng)建的緩沖區(qū)的大小等于被拷貝的文件大小，當文件很大時，該緩沖區(qū)也會很大。第二，它為每次文件拷貝操作都要創(chuàng)建一個新的緩沖區(qū)，當有大量文件需要拷貝時，JVM不得不分配和回收這些大緩沖區(qū)內存，這對程序性能是極大的傷害。

如何在保持速度甚至速度更快的前提下避免這兩個缺陷呢？方法是這樣的：創(chuàng)建一個靜態(tài)的固定長度的字節(jié)數(shù)組，如1024*1024字節(jié)即1M，每次只讀寫1M的數(shù)據(jù)。雖然對于大于1M的文件會需要多次讀寫才能完成整個文件的拷貝，但是這樣避免了內存的反復分配和回收。緩沖區(qū)大小是可以調整的，針對某個具體的應用場景，我們可以在速度和內存之間取得一個最佳的平衡。

程序清單四的copy方法使用了這樣的1M字節(jié)的數(shù)組，這個版本表現(xiàn)更為出色，它拷貝一個8M的文本文件所花費時間只有218ms，性能提高了168倍。

值得注意的是代碼中的同步塊，在單線程環(huán)境下沒有同步塊是可以的，但是在多線程環(huán)境下需要同步塊防止多個線程同時對緩沖區(qū)實施寫操作。盡管同步會帶來系統(tǒng)開銷，但是由于while循環(huán)的次數(shù)很?。?M文件只要循環(huán)8次），所以由此帶來的性能損失是可以忽略不計的。實驗證明，有同步塊的版本和去掉同步塊的版本，性能是一樣的。

下表顯示了采取四種不同的策略拷貝一個8M文件所花費的時間。它充分說明，有效地改進緩沖機制可以大大提高程序的I/O性能。

4 結束語

一般情況下，我們總可以為具體的應用程序找到改善I/O性能的方法，這需要具體分析該應用程序的目的和操作特性。例如，考慮FTP和Http服務器，這些服務器的主要工作就是將文件從磁盤拷貝到網(wǎng)絡的Socket，一個網(wǎng)站的主頁通常比其他網(wǎng)頁訪問得更多。為了提高性能，我們可以建立快速緩沖貯存區(qū)，將那些經(jīng)常被訪問的文件做緩存， 這樣這些文件就不必每次從磁盤讀寫，而是直接從內存拷貝到網(wǎng)絡。

參考文獻

[1] What is Java I/O？ [EB/OL]，http：//www.roseindia.net/java/example/java/io/Java_io.shtml

[2] BufferedInputStream，JavaTM Platform Standard Ed. 7 [EB/OL]，http：//docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/io/BufferedInputStream.html

[3] BufferedOutputStream，JavaTM Platform Standard Ed. 7 [EB/OL]，http：//docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/io/BufferedOutputStream.html

作者簡介：

錢宇虹（1967-），女，碩士，副教授.研究領域：軟件開發(fā)與應用、軟件工程、軟件測試技術方面的教學、科研和開發(fā).