18.NIO之零拷贝

Leefs 2022-06-05 AM 719℃ 0条

[TOC]

### 一、传统IO问题

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

```java
File f = new File("helloword/data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");

byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);

Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);
```

内部工作流程是这样的：

![18.NIO之零拷贝01.png](https://lilinchao.com/usr/uploads/2022/06/3007087169.png)

1. java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 read 方法调用后，要从 java 程序的**用户态**切换至**内核态**，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入**内核缓冲区**。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 cpu;
2. 从**内核态**切换回**用户态**，将数据从**内核缓冲区**读入**用户缓冲区**（即 byte[] buf），这期间 cpu 会参与拷贝，无法利用 DMA;
3. 调用 write 方法，这时将数据从**用户缓冲区**（byte[] buf）写入 **socket 缓冲区**，cpu 会参与拷贝;
4. 接下来要向网卡写数据，这项能力 java 又不具备，因此又得从**用户态**切换至**内核态**，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 **socket 缓冲区**的数据写入网卡，不会使用 cpu。

可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的

* 用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级
* 数据拷贝了共 4 次

### 二、NIO 优化

#### 2.1 优化一

通过 DirectByteBuf

* ByteBuffer.allocate(10)  HeapByteBuffer 使用的还是 java 内存
* ByteBuffer.allocateDirect(10)  DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存

![18.NIO之零拷贝02.png](https://lilinchao.com/usr/uploads/2022/06/1662871847.png)

大部分步骤与优化前相同，不再赘述。唯有一点：java 可以使用 DirectByteBuf 将堆外内存映射到 jvm 内存中来直接访问使用

* 这块内存不受 jvm 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写
* java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步
  * DirectByteBuf 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
  * 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
* 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少

#### 2.2 优化二

进一步优化（底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法），java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据

![18.NIO之零拷贝03.png](https://lilinchao.com/usr/uploads/2022/06/2634306231.png)

1. java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的**用户态**切换至**内核态**，使用 DMA将数据读入**内核缓冲区**，不会使用 cpu
2. 数据从**内核缓冲区**传输到 **socket 缓冲区**，cpu 会参与拷贝
3. 最后使用 DMA 将 **socket 缓冲区**的数据写入网卡，不会使用 cpu

可以看到

* 只发生了一次用户态与内核态的切换
* 数据拷贝了 3 次

#### 2.3 优化三

进一步优化（linux 2.4）

![18.NIO之零拷贝04.png](https://lilinchao.com/usr/uploads/2022/06/2187344631.png)

1. java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的**用户态**切换至**内核态**，使用 DMA将数据读入**内核缓冲区**，不会使用 cpu
2. 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 **socket 缓冲区**，几乎无消耗
3. 使用 DMA 将 **内核缓冲区**的数据写入网卡，不会使用 cpu

整个过程仅只发生了一次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次。

### 总结

所谓的【零拷贝】，并不是真正无拷贝，而是在不会拷贝重复数据到 jvm 内存中，零拷贝的优点有

* 更少的用户态与内核态的切换
* 不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享
* 零拷贝适合小文件传输

*附参考原文：*

*《黑马程序员Netty教程》*

标签: Netty, NIO

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