摘要:而每個文件系統又可以設置不同的調度算法,另外,還有虛擬內存缺頁中斷帶來的性能毛刺良心的提供了調優的腳本,這點做的不錯跑題了。測試環境核線程內存磁盤讀寫左右虛擬內存未關閉,大小測試注意點為了防止緩存的影響,每次都生成一個新的文件進行讀取。
前言
Java 在 JDK 1.4 引入了 ByteBuffer 等 NIO 相關的類,使得 Java 程序員可以拋棄基于 Stream ,從而使用基于 Block 的方式讀寫文件,另外,JDK 還引入了 IO 性能優化之王—— 零拷貝 sendFile 和 mmap。但他們的性能究竟怎么樣? 和 RandomAccessFile 比起來,快多少? 什么情況下快?到底是 FileChannel 快還是 MappedByteBuffer 快......
(零拷貝參考 Zero Copy I: User-Mode Perspective)
天啊,問題太多了!!!!!!
讓我們慢慢分析。
看看善于利用 IO 零拷貝的 MQ 們我們知道,Java 世界有很多 MQ:ActiveMQ,kafka,RocketMQ,去哪兒 MQ,而他們則是 Java 世界使用 NIO 零拷貝的大戶。
然而,他們的性能卻大相同,拋開其他的因素,例如網絡傳輸方式,數據結構設計,文件存儲方式,我們僅僅討論 Broker 端對文件的讀寫,看看他們有什么不同。
下圖是樓主查看源碼總結的各個 MQ 使用的文件讀寫方式。
kafka:record 的讀寫都是基于 FileChannel。index 讀寫基于 MMAP(廝大提示)。
RocketMQ:讀盤基于 MMAP,寫盤默認使用 MMAP,可通過修改配置,配置成 FileChannel,原因是作者想避免 PageCache 的鎖競爭,通過兩層架構實現讀寫分離。
QMQ: 去哪兒 MQ,讀盤使用 MMAP,寫盤使用 FileChannel。
ActiveMQ 5.15: 讀寫全部都是基于 RandomAccessFile,這也是我們拋棄 ActiveMQ 的原因。
那么,到底是 MMAP 強,還是 FileChannel 強?
MMAP 眾所周知,基于 OS 的 mmap 的內存映射技術,通過 MMU 映射文件,使隨機讀寫文件和讀寫內存相似的速度。
那 FileChannel 呢?是零拷貝嗎?很遺憾,不是。FileChannel 快,只是因為他是基于 block 的。
接下來,benchmark everything —— 徐媽.
Benchmark ?如何 Benchmark? Benchmark 哪些?
既然是讀寫文件,自然就要看讀寫性能,這是最基本的。但,注意,通常 MQ 會使用定時刷盤,防止數據丟失,MMAP 和 FileChannel 都有 force 方法,用于將 pageCache 的數據刷到硬盤上。force 會影響性能嗎? 答案是會。影響到什么程度呢? 不知道。每次寫入的數據大小會影響性能嗎,毫無疑問會,但規則是什么呢?FileOutputStream 真的一無是處嗎?答案是不一定。
一直以來,文件調優都是藝術,因為影響性能的因素太多,首先,SSD 的出現,已經讓傳統基于 B+ tree 的樹形結構產生了自我疑問,第二,每個文件系統的性能不同,Linux ext3 和 ext4 性能天壤之別(刪除文件的性能差距在 20 倍左右)。而 Max OS 的 HFS+ 系統被 Linus 稱之為“有史以來最垃圾的文件系統”,幸運的是,蘋果終于在 2017 年推送了 macOS High Sierra 和 iOS 10.3 系統,這個兩個系統都拋棄了 HFS+,換成了性能更高的 APFS。而每個文件系統又可以設置不同的調度算法,另外,還有虛擬內存缺頁中斷帶來的性能毛刺.......
(tips:良心的 RocketMQ 提供了 Linux IO 調優的腳本,這點做的不錯 :)
跑題了。
樓主寫了一個小項目,用于測試 Java MappedByteBuffer & FileChannel & RandomAccessFile & FileXXXputStream 的讀寫性能。大家也可以在自己的機器上跑跑看。
測試環境CPU:intel i7 4核8線程 4.2GHz
內存:40GB DDR4
磁盤:SSD 讀寫 2GB/s 左右
JDK1.8
OS:Mac OS 10.13.6
虛擬內存: 未關閉,大小 9GB
測試注意點:
為了防止 PageCache 緩存的影響,每次都生成一個新的文件進行讀取。
為了測試不同數據包對性能的影響,需要使用不同大小的數據包進行多次測試。
force 對性能影響很大,應該多帶帶測試。
使用 1GB 文件進行測試(小文件沒有參考意義,大文件 mmap 無法映射)
純粹讀測試1GB 文件:
測試 MappedByteBuffer & FileChannel & RandomAccessFile & FileInputStream.
從這張圖里,我們看到,mmap 性能完勝,特別是在小數據量的情況下。其他的流,只有在4kb 的情況下,才開始反殺 mmap。因此,讀 4kb 以下的數據,請使用 mmap。
再放大看看 mmap 和 FileChannel 的比較:
根據上圖,我們看到,在寫入數據包大于 4kb 以上的情況下,FileChannel 等一眾非零拷貝,基本完勝 mmap,除了那個一次讀 1G 文件的 BT 測試。
因此,如果你的數據包大于 4kb,請使用 FileChannel。
純粹寫測試1GB 文件:
測試 MappedByteBuffer & FileChannel & RandomAccessFile & FileInputStream.
從上圖,我們可以看出,mmap 性能還是一樣的穩定。FileChannel 也不差,但是在 32 字節數據量的情況下,還差點意思。
再看縮略圖:
我們看到,64字節 是 FileChannel 和 mmap 性能的分水嶺,從 64字節開始,FileChannel 一路反殺,直到 BT 1GB 文件稍稍輸了一丟丟。
因此,我們建議:如果你的數據包大小在 64 字節以上,請使用 FileChannel 寫入。
異步 force 測試我們知道,RocketMQ 使用異步刷盤,那么異步 force 對性能有沒有影響呢?benchmark everything。我們使用異步線程,每 16kb 刷盤一次,看看性能如何。
mmap 一直落后,且性能很差,除了在 2048 字節那里有一點點抖動,基本維持 在 4000 左右,而沒有 force 的情況下,則在 1500 左右。而 FileChannel 則完全不受 force 的影響。在我的測試中,1GB 的文件,一次 force 需要 800 毫秒左右。buffer 越大,時間越多,反之則越小。
說個題外話,Kafka 一直不建議使用 force,大概也有這個原因。當然,Kafka 還有自己的多副本策略保證數據安全。
這里,我們得出結論,如果你需要經常執行 force,即使是異步的,也請一定不要使用 mmap,請使用 FileChannel。
總結。基于以上測試,我們得出一張圖表:
假設,我們的系統的數據包在 1024 - 2048 左右,我們應該使用什么策略?
答:讀使用 mmap,僅僅寫使用 FileChannel。
再回過頭看看 MQ 的實現者們,似乎只有 QMQ 是 這么做的。當然,RocketMQ 也提供了 FileChannel 的寫選項。但默認 mmap 寫加異步刷盤,應該是 broker busy 的元兇吧。
而 Kafka,因為默認不 force,也是使用 FileChannel 進行寫入的,為什么使用 FileChannel 讀呢?大概是因為消息的大小在 4kb 以上吧。
這樣一揣測,這些 MQ 的設計似乎都非常合理。
最后,能不用 force 就別用 force。如果要用 force ,就請使用 FileChannel。
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