如何實現高性能的IO及其原理？

程序運行在內存以及IO的體現

　　首先普及一下常識，如圖所示：

　　　　　　　　　　　　

 　　1、在整個內存空間中，跑着各種各樣的程序，有Java程序、C程序，他們共用一塊內存空間。

　　2、對於Java程序，JVM會申請一塊堆空間，通過Xmx可以設置，其余空間是堆外空間，其中每個線程有自己的線程棧，保證線程內存隔離，堆空間使用完以后，會觸發Full FC，堆外空間所有進程可共享使用，無限制。

　　3、所有系統運行的程序都必須通過操作系統內核進行IO操作，操作系統也是程序，也需要一定的內存空間。

一、使用Buffer代替基本IO

　　我們寫一個方法，此方法使用了FileWriter進行了文件的寫操作，我們都知道不調用flush()可能會造成數據丟失，那么為什么呢，flush操作到底做了些什么呢？

public void fileIO() throws Exception {

    File file = new File("/Volumes/work/temp/temp.txt");
    if (file.exists()) {
        file.delete();
    }
    file.createNewFile();

    FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(file);
    FileWriter fileWriter = new FileWriter(file);

    fileWriter.write("hello");
    fileWriter.write("world");
    fileWriter.write("\nhello world");

    Thread.sleep(99999); fileWriter.flush();
    fileWriter.close();
}

　　我們知道我們在寫數據的時候不管是C還是Java都會有兩個緩沖區，一個是操作系統的緩沖區sys buffer，還有一個是程序的緩沖區program buffer。那么剛剛的flush操作是把程序的緩沖區內容寫到了系統緩沖區，還是把系統緩沖區的內容刷到了硬盤呢？因此我們在調用flush()之前進行了sleep操作，檢查在flush之前，具體的內容並未寫到temp.txt文件中，當我們睡眠時間結束后，可以看到調用flush方法后則把內容寫到了文件中，如圖：

　　　　　　　　　　

　　實際上FileWriter基本IO是沒有先寫程序緩存的，那么實際上FileWriter的每次write操作都發生了系統調用，直接寫到了內核的系統緩沖區，然后當調用flush操作時，系統緩沖區的內容再刷到了硬盤上。

　　因此IO性能提升第一步：無論是InputStream還是FileWriter，都是底層的IO，是直接調用內核的，因此寫入都是直接寫入到內核的系統buffer，因此在使用IO的時候不要使用這類底層IO，否則發生大量系統調用，降低系統性能，而是應該先寫到程序buffer然后再調用系統IO，當程序buffer滿了后才通過系統調用寫到系統buffer空間中，這樣減少了大量系統調用，提升了性能。

　　那么什么時候系統buffer中的數據才寫入到硬盤呢？2種情況：①.系統buffer滿了；②.執行了flush()操作，也就是發生了fsync的系統調用。

public void bufferedIO() throws Exception {
    BufferedOutputStream bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(file), 1024);
    BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(file));
    bufferedOutputStream.write("hello world\nhello world".getBytes());
    bufferedOutputStream.flush();
    bufferedOutputStream.close();
    String line = reader.readLine();
    System.out.println(line);
}

　　還有另一種是直接寫入到內存的，如代碼：

public void memoryIO() throws Exception {
    ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream(1024);
    // 字節數組輸出流在內存中創建一個字節數組緩沖區，所有發送到輸出流的數據保存在該字節數組緩沖區中。可以通過toString()和toByteArray()獲取數據
    byteArrayOutputStream.write("hello world".getBytes());
    String string = byteArrayOutputStream.toString();
    System.out.println(string);

    byte[] inData = byteArrayOutputStream.toByteArray();
    ByteArrayInputStream byteArrayInputStream = new ByteArrayInputStream(inData);
    byte[] data = new byte[1024];
    byteArrayInputStream.read(data);
    System.out.println(new String(data));

    byteArrayOutputStream.flush();
    byteArrayOutputStream.close();
}

　　這樣就類似於Redis一樣，是對內存進行直接操作，因此這樣也能提高不少效率。

二、堆外內存mmap直接映射內核空間

　　如下圖：

　　　　　　　　　　　　

　　1、如果數據在堆內，那么在寫入磁盤時，會先序列化后拷貝到堆外，然后堆外再write到系統內核緩沖區，內核緩沖區通過系統調用fsync寫入到磁盤；

　　2、如果數據是在堆外內存，那么也需要先拷貝到內核緩沖區，在fsync系統調用后也才寫入到磁盤；

　　3、通過系統調用mmap申請一塊虛擬的地址空間，這片空間用戶程序和系統內核都可以訪問到。

　　如下代碼：

public void randomIO() throws Exception{
    RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile(file,"rw");
    randomAccessFile.write("hello world\nhello chicago\nhello ChengDu".getBytes());
    FileChannel channel = randomAccessFile.getChannel();

    /**
     * 堆外的數據如果想寫磁盤，通過系統調用，經歷數據從用戶空間拷貝到內核空間
     * 堆外mapedBuffer的數據內核直接處理
     */
    // 分配在了堆上  heap空間
    // ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    // 分配在了堆外  offheap空間
    // ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
    //mmap  內核系統調用  堆外空間，直接映射
    MappedByteBuffer byteBuffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE,0,2018);
    
    byteBuffer.put("byteBuffer testing".getBytes());

    randomAccessFile.seek(12);
    randomAccessFile.write("*****".getBytes());
}

　　可以看到通過FileChannel的map方法實現系統調用，申請mmap直接映射空間，數據無需由用戶空間拷貝到系統空間，節省了一次拷貝的時間損耗，提升了性能。

三、sendfile零拷貝

　　在Linux系統中。存儲在文件中的信息通過網絡傳送給客戶這樣的簡單過程中，所涉及的操作。下面是其中的部分簡單代碼：

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);

　　其實過程中實現了多次拷貝，性能很低，如圖可知：

　　　　　

　　步驟一：系統調用read導致了從用戶空間到內核空間的上下文切換。DMA模塊從磁盤中讀取文件內容，並將其存儲在內核空間的緩沖區內，完成了第1次復制。

　　步驟二：數據從內核空間緩沖區復制到用戶空間緩沖區，完成了第2次復制，之后系統調用read返回，這導致了從內核空間向用戶空間的上下文切換。此時，需要的數據已存放在指定的用戶空間緩沖區內(參數tmp_buf)，程序可以繼續下面的操作。

　　步驟三：系統調用write導致從用戶空間到內核空間的上下文切換。數據從用戶空間緩沖區被再次復制到內核空間緩沖區，完成了第3次復制。不過，這次數據存放在內核空間中與使用的socket相關的特定緩沖區中，而不是步驟一中的緩沖區。

　　步驟四：系統調用返回，導致了第4次上下文切換。第4次復制在DMA模塊將數據從內核空間緩沖區傳遞至協議引擎的時候發生，這與我們的代碼的執行是獨立且異步發生的。你可能會疑惑：“為何要說是獨立、異步？難道不是在write系統調用返回前數據已經被傳送了？write系統調用的返回，並不意味着傳輸成功——它甚至無法保證傳輸的開始。調用的返回，只是表明以太網驅動程序在其傳輸隊列中有空位，並已經接受我們的數據用於傳輸。可能有眾多的數據排在我們的數據之前。除非驅動程序或硬件采用優先級隊列的方法，各組數據是依照FIFO的次序被傳輸的(圖1中叉狀的DMA copy表明這最后一次復制可以被延后)。

 　　因此就誕生了零拷貝：

sendfile(socket, file, len);

　　如圖：

　　　　

 

　　步驟一：sendfile系統調用導致文件內容通過DMA模塊被復制到內核緩沖區中。

　　步驟二：記錄數據位置和長度的描述符被加入到socket緩沖區中，DMA模塊將數據直接從內核緩沖區傳遞給協議引擎。

　　基於以上實現，最終實現了“零拷貝”。

高性能IO應用

　　在現實應用中，Kafka常用來進行日志處理，存在着大量的IO，其高性能就是建立在IO上的優化，如圖：