作者：不學無數的程式設計師
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壓縮20M文件從30秒到1秒的優化過程
有一個需求需要將前端傳過來的10張照片，然後後端進行處理以後壓縮成一個壓縮包通過網絡流傳輸出去。之前沒有接觸過用Java壓縮文件的，所以就直接上網找了一個例子改了一下用了，改完以後也能使用，但是隨著前端所傳圖片的大小越來越大的時候，耗費的時間也在急劇增加，最後測了一下壓縮20M的文件竟然需要30秒的時間。壓縮文件的代碼如下。
這裡找了一張2M大小的圖片，並且循環十次進行測試。列印的結果如下，時間大概是30秒。
第一次優化過程-從30秒到2秒
進行優化首先想到的是利用緩衝區**BufferInputStream。在FileInputStream中read()**方法每次只讀取一個位元組。源碼中也有說明。
這是一個調用本地方法與原生作業系統進行交互，從磁碟中讀取數據。每讀取一個位元組的數據就調用一次本地方法與作業系統交互，是非常耗時的。例如我們現在有30000個位元組的數據，如果使用FileInputStream那麼就需要調用30000次的本地方法來獲取這些數據，而如果使用緩衝區的話（這裡假設初始的緩衝區大小足夠放下30000位元組的數據）那麼只需要調用一次就行。因為緩衝區在第一次調用read()方法的時候會直接從磁碟中將數據直接讀取到內存中。隨後再一個位元組一個位元組的慢慢返回。
BufferedInputStream內部封裝了一個byte數組用於存放數據，默認大小是8192
優化過後的代碼如下
輸出
可以看到相比較於第一次使用FileInputStream效率已經提升了許多了
第二次優化過程-從2秒到1秒
使用緩衝區buffer的話已經是滿足了我的需求了，但是秉著學以致用的想法，就想著用NIO中知識進行優化一下。
使用Channel
為什麼要用Channel呢？因為在NIO中新出了Channel和ByteBuffer。正是因為它們的結構更加符合作業系統執行I/O的方式，所以其速度相比較於傳統IO而言速度有了顯著的提高。Channel就像一個包含著煤礦的礦藏，而ByteBuffer則是派送到礦藏的卡車。也就是說我們與數據的交互都是與ByteBuffer的交互。
在NIO中能夠產生FileChannel的有三個類。分別是FileInputStream、FileOutputStream、以及既能讀又能寫的RandomAccessFile。
源碼如下
我們可以看到這裡並沒有使用ByteBuffer進行數據傳輸，而是使用了transferTo的方法。這個方法是將兩個通道進行直連。
這是源碼上的描述文字，大概意思就是使用transferTo的效率比循環一個Channel讀取出來然後再循環寫入另一個Channel好。作業系統能夠直接傳輸位元組從文件系統緩存到目標的Channel中，而不需要實際的copy階段。
copy階段就是從內核空間轉到用戶空間的一個過程
可以看到速度相比較使用緩衝區已經有了一些的提高。
內核空間和用戶空間
那麼為什麼從內核空間轉向用戶空間這段過程會慢呢？首先我們需了解的是什麼是內核空間和用戶空間。在常用的作業系統中為了保護系統中的核心資源，於是將系統設計為四個區域，越往裡權限越大，所以Ring0被稱之為內核空間，用來訪問一些關鍵性的資源。Ring3被稱之為用戶空間。
用戶態、內核態：線程處於內核空間稱之為內核態，線程處於用戶空間屬於用戶態
那麼我們如果此時應用程式（應用程式是都屬於用戶態的）需要訪問核心資源怎麼辦呢？那就需要調用內核中所暴露出的接口用以調用，稱之為系統調用。例如此時我們應用程式需要訪問磁碟上的文件。此時應用程式就會調用系統調用的接口open方法，然後內核去訪問磁碟中的文件，將文件內容返回給應用程式。大致的流程如下
直接緩衝區和非直接緩衝區
既然我們要讀取一個磁碟的文件，要廢這麼大的周折。有沒有什麼簡單的方法能夠使我們的應用直接操作磁碟文件，不需要內核進行中轉呢？有，那就是建立直接緩衝區了。
非直接緩衝區：非直接緩衝區就是我們上面所講內核態作為中間人，每次都需要內核在中間作為中轉。
直接緩衝區：直接緩衝區不需要內核空間作為中轉copy數據，而是直接在物理內存申請一塊空間，這塊空間映射到內核地址空間和用戶地址空間，應用程式與磁碟之間數據的存取通過這塊直接申請的物理內存進行交互。
既然直接緩衝區那麼快，我們為什麼不都用直接緩衝區呢？其實直接緩衝區有以下的缺點。直接緩衝區的缺點：
綜上所述，所以我們使用transferTo方法就是直接開闢了一段直接緩衝區。所以性能相比而言提高了許多
使用內存映射文件
NIO中新出的另一個特性就是內存映射文件，內存映射文件為什麼速度快呢？其實原因和上面所講的一樣，也是在內存中開闢了一段直接緩衝區。與數據直接作交互。源碼如下
列印如下
可以看到速度和使用Channel的速度差不多的。
使用Pipe
Java NIO 管道是2個線程之間的單向數據連接。Pipe有一個source通道和一個sink通道。其中source通道用於讀取數據，sink通道用於寫入數據。可以看到源碼中的介紹，大概意思就是寫入線程會阻塞至有讀線程從通道中讀取數據。如果沒有數據可讀，讀線程也會阻塞至寫線程寫入數據。直至通道關閉。
Whether or not a thread writing bytes to a pipe will block until another thread reads those bytes
我想要的效果是這樣的。源碼如下：
源碼地址https://github.com/modouxiansheng/Doraemon
總結
生活處處都需要學習，有時候只是一個簡單的優化，可以讓你深入學習到各種不同的知識。所以在學習中要不求甚解，不僅要知道這個知識也要了解為什麼要這麼做。