面试题：Java中缓冲流提升IO读写效率原理相关 - 性能对比

Question

假设你有一个大文件需要读取，分别使用普通的FileInputStream和BufferedInputStream进行读取操作，从理论和实际代码测试两方面，分析它们在读取性能上的差异，并说明缓冲流提升效率的关键因素有哪些。

Answer 1

理论分析

1. FileInputStream：
   • 每次调用read方法，都会直接从文件系统中读取数据，这涉及到用户态到内核态的切换以及磁盘I/O操作。磁盘I/O相对内存操作来说非常慢，频繁的系统调用会增加额外的开销，导致读取大文件时性能较低。
2. BufferedInputStream：
   • 内部有一个缓冲区（默认大小为8192字节）。首次调用read方法时，它会一次性从文件系统中读取一批数据到缓冲区，后续的read操作优先从缓冲区获取数据。只有当缓冲区数据读完时，才会再次从文件系统读取数据填充缓冲区。这样减少了磁盘I/O操作的次数和用户态到内核态的切换次数，从而提高了读取性能。

实际代码测试

import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class FileReadPerformanceTest {
    public static void main(String[] args) {
        String filePath = "largeFile.txt";
        long startTime, endTime;

        // 使用FileInputStream测试
        startTime = System.currentTimeMillis();
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(filePath)) {
            int data;
            while ((data = fis.read()) != -1) {
                // 简单处理，这里可以是实际业务处理
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("FileInputStream读取时间: " + (endTime - startTime) + " ms");

        // 使用BufferedInputStream测试
        startTime = System.currentTimeMillis();
        try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(filePath))) {
            int data;
            while ((data = bis.read()) != -1) {
                // 简单处理，这里可以是实际业务处理
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("BufferedInputStream读取时间: " + (endTime - startTime) + " ms");
    }
}

通常情况下，运行上述代码会发现BufferedInputStream的读取时间明显短于FileInputStream。

缓冲流提升效率的关键因素

1. 减少系统调用次数：通过缓冲区，减少了对底层文件系统的直接读取次数，从而减少了用户态到内核态的切换次数，降低了系统开销。
2. 批量读取数据：一次性从文件系统读取较大的数据块到缓冲区，利用了磁盘I/O的批量传输特性，提高了数据传输效率。
3. 内存操作优势：从缓冲区读取数据是内存操作，内存访问速度远快于磁盘I/O，在缓冲区数据未读完时，能快速提供数据给应用程序，提升整体性能。