java中文件拷貝流的介紹

最近項目里有個需求需要實現文件拷貝，在java中文件拷貝流的讀寫，很容易就想到IO中的InputStream和OutputStream之類的，但是上網查了一下文件拷貝也是有很多種方法的，除了IO，還有NIO、Apache提供的工具類、JDK自帶的文件拷貝方法

IO拷貝

public class IOFileCopy {

    private static final int BUFFER_SIZE = 1024;

    public static void copyFile(String source, String target) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        try(InputStream in = new FileInputStream(new File(source));
            OutputStream out = new FileOutputStream(new File(target))) {
            byte[] buffer = new byte[BUFFER_SIZE];
            int len;
            while ((len = in.read(buffer)) > 0) {
                out.write(buffer, 0, len);
            }

            System.out.println(String.format("IO file copy cost %d msc", System.currentTimeMillis() - start));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

傳統IO中文件讀取過程可以分為以下幾步：

• 內核從磁盤讀取數據到緩沖區，這個過程由磁盤操作器通過DMA操作將數據從磁盤讀取到內核緩沖區，該過程不依賴CPU

• 用戶進程在將數據從內核緩沖區拷貝到用戶空間緩沖區

• 用戶進程從用戶空間緩沖區讀取數據

NIO拷貝

NIO進行文件拷貝有兩種實現方式，一是通過管道，而是通過文件內存內存映射

public class NIOFileCopy {

    public static void copyFile(String source, String target) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        try(FileChannel input = new FileInputStream(new File(source)).getChannel();
            FileChannel output = new FileOutputStream(new File(target)).getChannel()) {
            output.transferFrom(input, 0, input.size());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(String.format("NIO file copy cost %d msc", System.currentTimeMillis() - start));
    }
}

文件內存映射：

把內核空間地址與用戶空間的虛擬地址映射到同一個物理地址，DMA 硬件可以填充對內核與用戶空間進程同時可見的緩沖區了。用戶進程直接從內存中讀取文件內容，應用只需要和內存打交道，不需要進行緩沖區來回拷貝，大大提高了IO拷貝的效率。加載內存映射文件所使用的內存在Java堆區之外

public class NIOFileCopy2 {

    public static void copyFile(String source, String target) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        try(FileInputStream fis = new FileInputStream(new File(source));
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File(target))) {
            FileChannel sourceChannel = fis.getChannel();
            FileChannel targetChannel = fos.getChannel();
            MappedByteBuffer mappedByteBuffer = sourceChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, sourceChannel.size());
            targetChannel.write(mappedByteBuffer);
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(String.format("NIO memory reflect file copy cost %d msc", System.currentTimeMillis() - start));
        File targetFile = new File(target);
        targetFile.delete();
    }
}

NIO內存映射文件拷貝可以分為以下幾步

NIO的內存映射實際上就是少了一次從內核空間拷貝到用戶空間的過程，將對用戶緩沖區的讀改為從內存讀取

Files#copyFile方法

public class FilesCopy {

    public static void copyFile(String source, String target) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        try {
            File sourceFile = new File(source);
            File targetFile = new File(target);
            Files.copy(sourceFile.toPath(), targetFile.toPath());
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(String.format("FileCopy file copy cost %d msc", System.currentTimeMillis() - start));
    }
}

FileUtils#copyFile方法

使用FileUtils之前需先引入依賴

• 依賴

   <dependency>
      <groupId>commons-io</groupId>
      <artifactId>commons-io</artifactId>
      <version>2.4</version>
  </dependency>

• FileUtils#copyFile封裝類：FileUtilsCopy.java

  public class FileUtilsCopy {
  
      public static void copyFile(String source, String target) {
          long start = System.currentTimeMillis();
          try {
              FileUtils.copyFile(new File(source), new File(target));
          } catch (IOException e) {
              e.printStackTrace();
          }
  
          System.out.println(String.format("FileUtils file copy cost %d msc", System.currentTimeMillis() - start));
      }
  }

性能比較

既然有這么多種實現方法，肯定要從中選擇性能最佳的

測試環境：

• windows 10
• CPU 6核
• JDK1.8

測試代碼：PerformTest.java

public class PerformTest {

    private static final String source1 = "input/test1.txt";
    private static final String source2 = "input/test2.txt";
    private static final String source3 = "input/test3.txt";
    private static final String source4 = "input/test4.txt";
    private static final String target1 = "output/test1.txt";
    private static final String target2 = "output/test2.txt";
    private static final String target3 = "output/test3.txt";
    private static final String target4 = "output/test4.txt";

    public static void main(String[] args) {
        IOFileCopy.copyFile(source1, target1);
        NIOFileCopy.copyFile(source2, target2);
        FilesCopy.copyFile(source3, target3);
        FileUtilsCopy.copyFile(source4, target4);
    }
}

總共執行了五次，讀寫的文件大小分別為9KB、23KB、239KB、1.77MB、12.7MB

注意：單位均為毫秒

從執行結果來看：

• 文件很小時 => IO > NIO【內存映射】> NIO【管道】 > Files#copy > FileUtils#copyFile

• 在文件較小時 => NIO【內存映射】> IO > NIO【管道】 > Files#copy > FileUtils#copyFile

• 在文件較大時 => NIO【內存映射】> > NIO【管道】> IO > Files#copy > FileUtils#copyFile

• 修改IO緩沖區大小對拷貝效率有影響，但是并不是越大性能越好，稍大于拷貝文件大小即可

文件較小時，IO效率高于NIO，NIO底層實現較為復雜，NIO的優勢不明顯。同時NIO內存映射初始化耗時，所以在文件較小時和IO復制相比沒有優勢

如果追求效率可以選擇NIO的內存映射去實現文件拷貝，但是對于大文件使用內存映射拷貝要格外關注系統內存的使用率。推薦：大文件拷貝使用內存映射，原文是這樣的:

For most operating systems, mapping a file into memory is more
expensive than reading or writing a few tens of kilobytes of data via
the usual {@link #read read} and {@link #write write} methods.  From the
standpoint of performance it is generally only worth mapping relatively
large files into memory

絕大多數操作系統的內存映射開銷大于IO開銷