MappedByteBuffer-VS-FileChannel-孰强孰弱

前言

Java 在 JDK 1.4 引入了 ByteBuffer 等 NIO 相关的类，使得 Java 程序员可以抛弃基于 Stream，从而使用基于 Block 的方式读写文件，另外，JDK 还引入了 IO 性能优化之王—— 零拷贝 sendFile 和 mmap。但他们的性能究竟怎么样？和 RandomAccessFile 比起来，快多少？什么情况下快？到底是 FileChannel 快还是 MappedByteBuffer 快 ……

(零拷贝参考 Zero Copy I: User-Mode Perspective)

天啊，问题太多了！！！！！！

让我们慢慢分析。

看看善于利用 IO 零拷贝的 MQ 们

我们知道，Java 世界有很多 MQ：ActiveMQ，kafka，RocketMQ，去哪儿 MQ，而他们则是 Java 世界使用 NIO 零拷贝的大户。

然而，他们的性能却大相同，抛开其他的因素，例如网络传输方式，数据结构设计，文件存储方式，我们仅仅讨论 Broker 端对文件的读写，看看他们有什么不同。

下图是楼主查看源码总结的各个 MQ 使用的文件读写方式。

• kafka：record 的读写都是基于 FileChannel。index 读写基于 MMAP（厮大提示）。
• RocketMQ：读盘基于 MMAP，写盘默认使用 MMAP，可通过修改配置，配置成 FileChannel，原因是作者想避免 PageCache 的锁竞争，通过两层架构实现读写分离。
• QMQ：去哪儿 MQ，读盘使用 MMAP，写盘使用 FileChannel。
• ActiveMQ 5.15：读写全部都是基于 RandomAccessFile，这也是我们抛弃 ActiveMQ 的原因。

那么，到底是 MMAP 强，还是 FileChannel 强？

MMAP 众所周知，基于 OS 的 mmap 的内存映射技术，通过 MMU 映射文件，使随机读写文件和读写内存相似的速度。

那 FileChannel 呢？是零拷贝吗？很遗憾，不是。FileChannel 快，只是因为他是基于 block 的。

接下来，benchmark everything —— 徐妈.

Benchmark？

如何 Benchmark？Benchmark 哪些？

既然是读写文件，自然就要看读写性能，这是最基本的。但，注意，通常 MQ 会使用定时刷盘，防止数据丢失，MMAP 和 FileChannel 都有 force 方法，用于将 pageCache 的数据刷到硬盘上。force 会影响性能吗？答案是会。影响到什么程度呢？不知道。每次写入的数据大小会影响性能吗，毫无疑问会，但规则是什么呢？FileOutputStream 真的一无是处吗？答案是不一定。

一直以来，文件调优都是艺术，因为影响性能的因素太多，首先，SSD 的出现，已经让传统基于 B+ tree 的树形结构产生了自我疑问，第二，每个文件系统的性能不同，Linux ext3 和 ext4 性能天壤之别（删除文件的性能差距在 20 倍左右）。而 Max OS 的 HFS+ 系统被 Linus 称之为“有史以来最垃圾的文件系统”，幸运的是，苹果终于在 2017 年推送了 macOS High Sierra 和 iOS 10.3 系统，这个两个系统都抛弃了 HFS+，换成了性能更高的 APFS。而每个文件系统又可以设置不同的调度算法，另外，还有虚拟内存缺页中断带来的性能毛刺 …….

（tips：良心的 RocketMQ 提供了 Linux IO 调优的脚本，这点做的不错：）

跑题了。

楼主写了一个小项目，用于测试 Java MappedByteBuffer & FileChannel & RandomAccessFile & FileXXXputStream 的读写性能。大家也可以在自己的机器上跑跑看。

测试环境

CPU：intel i7 4 核 8 线程 4.2GHz
内存：40GB DDR4
磁盘：SSD 读写 2GB/s 左右
JDK1.8
OS：Mac OS 10.13.6
虚拟内存：未关闭，大小 9GB

测试注意点：

1. 为了防止 PageCache 缓存的影响，每次都生成一个新的文件进行读取。
2. 为了测试不同数据包对性能的影响，需要使用不同大小的数据包进行多次测试。
3. force 对性能影响很大，应该单独测试。
4. 使用 1GB 文件进行测试（小文件没有参考意义，大文件 mmap 无法映射）

纯粹读测试

1GB 文件：

测试 MappedByteBuffer & FileChannel & RandomAccessFile & FileInputStream.

从这张图里，我们看到，mmap 性能完胜，特别是在小数据量的情况下。其他的流，只有在 4kb 的情况下，才开始反杀 mmap。因此，读 4kb 以下的数据，请使用 mmap。

再放大看看 mmap 和 FileChannel 的比较：

根据上图，我们看到，在写入数据包大于 4kb 以上的情况下，FileChannel 等一众非零拷贝，基本完胜 mmap，除了那个一次读 1G 文件的 BT 测试。

因此，如果你的数据包大于 4kb，请使用 FileChannel。

纯粹写测试

1GB 文件：

测试 MappedByteBuffer & FileChannel & RandomAccessFile & FileInputStream.

从上图，我们可以看出，mmap 性能还是一样的稳定。FileChannel 也不差，但是在 32 字节数据量的情况下，还差点意思。

再看缩略图：

我们看到，64 字节 是 FileChannel 和 mmap 性能的分水岭，从 64 字节开始，FileChannel 一路反杀，直到 BT 1GB 文件稍稍输了一丢丢。

因此，我们建议：如果你的数据包大小在 64 字节以上，请使用 FileChannel 写入。

异步 force 测试

我们知道，RocketMQ 使用异步刷盘，那么异步 force 对性能有没有影响呢？benchmark everything。我们使用异步线程，每 16kb 刷盘一次，看看性能如何。

mmap 一直落后，且性能很差，除了在 2048 字节那里有一点点抖动，基本维持 在 4000 左右，而没有 force 的情况下，则在 1500 左右。而 FileChannel 则完全不受 force 的影响。在我的测试中，1GB 的文件，一次 force 需要 800 毫秒左右。buffer 越大，时间越多，反之则越小。

说个题外话，Kafka 一直不建议使用 force，大概也有这个原因。当然，Kafka 还有自己的多副本策略保证数据安全。

这里，我们得出结论，如果你需要经常执行 force，即使是异步的，也请一定不要使用 mmap，请使用 FileChannel。

总结。

基于以上测试，我们得出一张图表：

假设，我们的系统的数据包在 1024 – 2048 左右，我们应该使用什么策略？

答：读使用 mmap，仅仅写使用 FileChannel。

再回过头看看 MQ 的实现者们，似乎只有 QMQ 是 这么做的。当然，RocketMQ 也提供了 FileChannel 的写选项。但默认 mmap 写加异步刷盘，应该是 broker busy 的元凶吧。

而 Kafka，因为默认不 force，也是使用 FileChannel 进行写入的，为什么使用 FileChannel 读呢？大概是因为消息的大小在 4kb 以上吧。

这样一揣测，这些 MQ 的设计似乎都非常合理。

最后，能不用 force 就别用 force。如果要用 force，就请使用 FileChannel。