我在专栏上一讲提到，NIO 不止是多路复用，NIO 2 也不只是异步 IO，今天我们来看看 Java IO 体系中，其他不可忽略的部分。

今天我要问你的问题是，Java 有几种文件拷贝方式？哪一种最高效？

典型回答

Java 有多种比较典型的文件拷贝实现方式，比如：

利用 java.io 类库，直接为源文件构建一个 FileInputStream 读取，然后再为目标文件构建一个 FileOutputStream，完成写入工作。

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public static void copyFileByStream(File source, File dest) throws

        IOException {

    try (InputStream is = new FileInputStream(source);

         OutputStream os = new FileOutputStream(dest);){

        byte[] buffer = new byte[1024];

        int length;

        while ((length = is.read(buffer)) > 0) {

            os.write(buffer, 0, length);

        }

    }

 }

 

或者，利用 java.nio 类库提供的 transferTo 或 transferFrom 方法实现。

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public static void copyFileByChannel(File source, File dest) throws

        IOException {

    try (FileChannel sourceChannel = new FileInputStream(source)

            .getChannel();

         FileChannel targetChannel = new FileOutputStream(dest).getChannel

                 ();){

        for (long count = sourceChannel.size() ;count>0 ;) {

            long transferred = sourceChannel.transferTo(

                    sourceChannel.position(), count, targetChannel);            sourceChannel.position(sourceChannel.position() + transferred);

            count -= transferred;

        }

    }

 }

 

当然，Java 标准类库本身已经提供了几种 Files.copy 的实现。

对于 Copy 的效率，这个其实与操作系统和配置等情况相关，总体上来说，NIO transferTo/From 的方式可能更快，因为它更能利用现代操作系统底层机制，避免不必要拷贝和上下文切换。

考点分析

今天这个问题，从面试的角度来看，确实是一个面试考察的点，针对我上面的典型回答，面试官还可能会从实践角度，或者 IO 底层实现机制等方面进一步提问。这一讲的内容从面试题出发，主要还是为了让你进一步加深对 Java IO 类库设计和实现的了解。

从实践角度，我前面并没有明确说 NIO transfer 的方案一定最快，真实情况也确实未必如此。我们可以根据理论分析给出可行的推断，保持合理的怀疑，给出验证结论的思路，有时候面试官考察的就是如何将猜测变成可验证的结论，思考方式远比记住结论重要。

从技术角度展开，下面这些方面值得注意：

  • 不同的 copy 方式，底层机制有什么区别？
  • 为什么零拷贝（zero-copy）可能有性能优势？
  • Buffer 分类与使用。
  • Direct Buffer 对垃圾收集等方面的影响与实践选择。

接下来，我们一起来分析一下吧。

知识扩展

1. 拷贝实现机制分析

先来理解一下，前面实现的不同拷贝方法，本质上有什么明显的区别。

首先，你需要理解用户态空间（User Space）和内核态空间（Kernel Space），这是操作系统层面的基本概念，操作系统内核、硬件驱动等运行在内核态空间，具有相对高的特权；而用户态空间，则是给普通应用和服务使用。你可以参考：https://en.wikipedia.org/wiki/User%5Fspace。

当我们使用输入输出流进行读写时，实际上是进行了多次上下文切换，比如应用读取数据时，先在内核态将数据从磁盘读取到内核缓存，再切换到用户态将数据从内核缓存读取到用户缓存。

写入操作也是类似，仅仅是步骤相反，你可以参考下面这张图。

所以，这种方式会带来一定的额外开销，可能会降低 IO 效率。

而基于 NIO transferTo 的实现方式，在 Linux 和 Unix 上，则会使用到零拷贝技术，数据传输并不需要用户态参与，省去了上下文切换的开销和不必要的内存拷贝，进而可能提高应用拷贝性能。注意，transferTo 不仅仅是可以用在文件拷贝中，与其类似的，例如读取磁盘文件，然后进行 Socket 发送，同样可以享受这种机制带来的性能和扩展性提高。

transferTo 的传输过程是：

2.Java IO/NIO 源码结构

前面我在典型回答中提了第三种方式，即 Java 标准库也提供了文件拷贝方法（java.nio.file.Files.copy）。如果你这样回答，就一定要小心了，因为很少有问题的答案是仅仅调用某个方法。从面试的角度，面试官往往会追问：既然你提到了标准库，那么它是怎么实现的呢？有的公司面试官以喜欢追问而出名，直到追问到你说不知道。

其实，这个问题的答案还真不是那么直观，因为实际上有几个不同的 copy 方法。

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public static Path copy(Path source, Path target, CopyOption... options)

    throws IOException

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public static long copy(InputStream in, Path target, CopyOption... options)

    throws IOException

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public static long copy(Path source, OutputStream out) 

throws IOException

 

可以看到，copy 不仅仅是支持文件之间操作，没有人限定输入输出流一定是针对文件的，这是两个很实用的工具方法。

后面两种 copy 实现，能够在方法实现里直接看到使用的是 InputStream.transferTo()，你可以直接看源码，其内部实现其实是 stream 在用户态的读写；而对于第一种方法的分析过程要相对麻烦一些，可以参考下面片段。简单起见，我只分析同类型文件系统拷贝过程。

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public static Path copy(Path source, Path target, CopyOption... options)

    throws IOException

 {

    FileSystemProvider provider = provider(source);

    if (provider(target) == provider) {

        // same provider

        provider.copy(source, target, options);// 这是本文分析的路径

    } else {

        // different providers

        CopyMoveHelper.copyToForeignTarget(source, target, options);

    }

    return target;

}

我把源码分析过程简单记录如下，JDK 的源代码中，内部实现和公共 API 定义也不是可以能够简单关联上的，NIO 部分代码甚至是定义为模板而不是 Java 源文件，在 build 过程自动生成源码，下面顺便介绍一下部分 JDK 代码机制和如何绕过隐藏障碍。

  • 首先，直接跟踪，发现 FileSystemProvider 只是个抽象类，阅读它的源码能够理解到，原来文件系统实际逻辑存在于 JDK 内部实现里，公共 API 其实是通过 ServiceLoader 机制加载一系列文件系统实现，然后提供服务。
  • 我们可以在 JDK 源码里搜索 FileSystemProvider 和 nio，可以定位到sun/nio/fs，我们知道 NIO 底层是和操作系统紧密相关的，所以每个平台都有自己的部分特有文件系统逻辑。

  • 省略掉一些细节，最后我们一步步定位到 UnixFileSystemProvider → UnixCopyFile.Transfer，发现这是个本地方法。
  • 最后，明确定位到UnixCopyFile.c，其内部实现清楚说明竟然只是简单的用户态空间拷贝！

所以，我们明确这个最常见的 copy 方法其实不是利用 transferTo，而是本地技术实现的用户态拷贝。

前面谈了不少机制和源码，我简单从实践角度总结一下，如何提高类似拷贝等 IO 操作的性能，有一些宽泛的原则：

  • 在程序中，使用缓存等机制，合理减少 IO 次数（在网络通信中，如 TCP 传输，window 大小也可以看作是类似思路）。
  • 使用 transferTo 等机制，减少上下文切换和额外 IO 操作。
  • 尽量减少不必要的转换过程，比如编解码；对象序列化和反序列化，比如操作文本文件或者网络通信，如果不是过程中需要使用文本信息，可以考虑不要将二进制信息转换成字符串，直接传输二进制信息。

3. 掌握 NIO Buffer

我在上一讲提到 Buffer 是 NIO 操作数据的基本工具，Java 为每种原始数据类型都提供了相应的 Buffer 实现（布尔除外），所以掌握和使用 Buffer 是十分必要的，尤其是涉及 Direct Buffer 等使用，因为其在垃圾收集等方面的特殊性，更要重点掌握。

Buffer 有几个基本属性：

  • capcity，它反映这个 Buffer 到底有多大，也就是数组的长度。
  • position，要操作的数据起始位置。
  • limit，相当于操作的限额。在读取或者写入时，limit 的意义很明显是不一样的。比如，读取操作时，很可能将 limit 设置到所容纳数据的上限；而在写入时，则会设置容量或容量以下的可写限度。
  • mark，记录上一次 postion 的位置，默认是 0，算是一个便利性的考虑，往往不是必须的。

前面三个是我们日常使用最频繁的，我简单梳理下 Buffer 的基本操作：

  • 我们创建了一个 ByteBuffer，准备放入数据，capcity 当然就是缓冲区大小，而 position 就是 0，limit 默认就是 capcity 的大小。
  • 当我们写入几个字节的数据时，position 就会跟着水涨船高，但是它不可能超过 limit 的大小。
  • 如果我们想把前面写入的数据读出来，需要调用 flip 方法，将 position 设置为 0，limit 设置为以前的 position 那里。
  • 如果还想从头再读一遍，可以调用 rewind，让 limit 不变，position 再次设置为 0。

更进一步的详细使用，我建议参考相关教程。

4.Direct Buffer 和垃圾收集

我这里重点介绍两种特别的 Buffer。

  • Direct Buffer：如果我们看 Buffer 的方法定义，你会发现它定义了 isDirect() 方法，返回当前 Buffer 是否是 Direct 类型。这是因为 Java 提供了堆内和堆外（Direct）Buffer，我们可以以它的 allocate 或者 allocateDirect 方法直接创建。
  • MappedByteBuffer：它将文件按照指定大小直接映射为内存区域，当程序访问这个内存区域时将直接操作这块儿文件数据，省去了将数据从内核空间向用户空间传输的损耗。我们可以使用FileChannel.map创建 MappedByteBuffer，它本质上也是种 Direct Buffer。

在实际使用中，Java 会尽量对 Direct Buffer 仅做本地 IO 操作，对于很多大数据量的 IO 密集操作，可能会带来非常大的性能优势，因为：

  • Direct Buffer 生命周期内内存地址都不会再发生更改，进而内核可以安全地对其进行访问，很多 IO 操作会很高效。
  • 减少了堆内对象存储的可能额外维护工作，所以访问效率可能有所提高。

但是请注意，Direct Buffer 创建和销毁过程中，都会比一般的堆内 Buffer 增加部分开销，所以通常都建议用于长期使用、数据较大的场景。

使用 Direct Buffer，我们需要清楚它对内存和 JVM 参数的影响。首先，因为它不在堆上，所以 Xmx 之类参数，其实并不能影响 Direct Buffer 等堆外成员所使用的内存额度，我们可以使用下面参数设置大小：

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-XX:MaxDirectMemorySize=512M

从参数设置和内存问题排查角度来看，这意味着我们在计算 Java 可以使用的内存大小的时候，不能只考虑堆的需要，还有 Direct Buffer 等一系列堆外因素。如果出现内存不足，堆外内存占用也是一种可能性。

另外，大多数垃圾收集过程中，都不会主动收集 Direct Buffer，它的垃圾收集过程，就是基于我在专栏前面所介绍的 Cleaner（一个内部实现）和幻象引用（PhantomReference）机制，其本身不是 public 类型，内部实现了一个 Deallocator 负责销毁的逻辑。对它的销毁往往要拖到 full GC 的时候，所以使用不当很容易导致 OutOfMemoryError。

对于 Direct Buffer 的回收，我有几个建议：

  • 在应用程序中，显式地调用 System.gc() 来强制触发。
  • 另外一种思路是，在大量使用 Direct Buffer 的部分框架中，框架会自己在程序中调用释放方法，Netty 就是这么做的，有兴趣可以参考其实现（PlatformDependent0）。
  • 重复使用 Direct Buffer。

5. 跟踪和诊断 Direct Buffer 内存占用？

因为通常的垃圾收集日志等记录，并不包含 Direct Buffer 等信息，所以 Direct Buffer 内存诊断也是个比较头疼的事情。幸好，在 JDK 8 之后的版本，我们可以方便地使用 Native Memory Tracking（NMT）特性来进行诊断，你可以在程序启动时加上下面参数：

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-XX:NativeMemoryTracking={summary|detail}

注意，激活 NMT 通常都会导致 JVM 出现 5%~10% 的性能下降，请谨慎考虑。

运行时，可以采用下面命令进行交互式对比：

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// 打印 NMT 信息

jcmd <pid> VM.native_memory detail 

 // 进行 baseline，以对比分配内存变化

jcmd <pid> VM.native_memory baseline

 // 进行 baseline，以对比分配内存变化

jcmd <pid> VM.native_memory detail.diff

我们可以在 Internal 部分发现 Direct Buffer 内存使用的信息，这是因为其底层实际是利用 unsafe_allocatememory。严格说，这不是 JVM 内部使用的内存，所以在 JDK 11 以后，其实它是归类在 other 部分里。

JDK 9 的输出片段如下，“+”表示的就是 diff 命令发现的分配变化：

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-Internal (reserved=679KB +4KB, committed=679KB +4KB)

              (malloc=615KB +4KB #1571 +4)

              (mmap: reserved=64KB, committed=64KB)

 

注意：JVM 的堆外内存远不止 Direct Buffer，NMT 输出的信息当然也远不止这些，我在专栏后面有综合分析更加具体的内存结构的主题。

今天我分析了 Java IO/NIO 底层文件操作数据的机制，以及如何实现零拷贝的高性能操作，梳理了 Buffer 的使用和类型，并针对 Direct Buffer 的生命周期管理和诊断进行了较详细的分析。

一课一练

关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗？你可以思考下，如果我们需要在 channel 读取的过程中，将不同片段写入到相应的 Buffer 里面（类似二进制消息分拆成消息头、消息体等），可以采用 NIO 的什么机制做到呢？

请你在留言区写写你对这个问题的思考，我会选出经过认真思考的留言，送给你一份学习鼓励金，欢迎你与我一起讨论。

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