NIO--零拷贝、AIO

我就是我 2021-08-26 19:01 484阅读 0赞

### 零拷贝 ###

*  零拷贝是网络编程的关键，很多性能优化都离不开。
 *  在 Java 程序中，常用的零拷贝有 mmap(内存映射) 和 sendFile。

传统IO数据读写：  
Java 传统 IO 和 网络编程的一段代码  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NvbGRfX19wbGF5_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
传统IO模型：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NvbGRfX19wbGF5_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

mmap优化：

*  mmap 通过内存映射，将文件映射到内核缓冲区，同时，用户空间可以共享内核空间的数据。这样，在进行网 络传输时，就可以减少内核空间到用户空间的拷贝次数。
 *  mmap 示意图

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NvbGRfX19wbGF5_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

sendFile优化：  
Linux 2.1 版本 提供了 sendFile 函数，其基本原理如下:数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲区进入到  
Socket Buffer，同时，由于和用户态完全无关，就减少了一次上下文切换

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NvbGRfX19wbGF5_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

*  零拷贝从操作系统角度，是没有cpu拷贝
 *  Linux 在 2.4 版本中，做了一些修改，避免了从内核缓冲区拷贝到 Socket buffer 的操作，直接拷贝到协议栈，  
    从而再一次减少了数据拷贝。具体如下图

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NvbGRfX19wbGF5_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
这里其实有一次cpu拷贝kernel buffer -> socket buffer但是，拷贝的信息很少，比如 lenght , offset , 消耗低，可以忽略

mmap 和 sendFile 的区别：

1.  mmap 适合小数据量读写，sendFile 适合大文件传输。
2.  mmap 需要 4 次上下文切换，3 次数据拷贝;sendFile 需要 3 次上下文切换，最少 2 次数据拷贝。
3.  sendFile 可以利用 DMA 方式，减少 CPU 拷贝，mmap 则不能(必须从内核拷贝到 Socket 缓冲区)。

### NIO零拷贝案例 ###

//服务器
    public class NewIOServer { 
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
    
            InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(7001);
    
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
    
            ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
    
            serverSocket.bind(address);
    
            //创建buffer
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);
    
            while (true) { 
                SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    
                int readcount = 0;
                while (-1 != readcount) { 
                    try { 
    
                        readcount = socketChannel.read(byteBuffer);
    
                    }catch (Exception ex) { 
                       // ex.printStackTrace();
                        break;
                    }
                    //
                    byteBuffer.rewind(); //倒带 position = 0 mark 作废
                }
            }
        }
    }

public class NewIOClient { 
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
    
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 7001));
            String filename = "protoc-3.6.1-win32.zip";
    
            //得到一个文件channel
            FileChannel fileChannel = new FileInputStream(filename).getChannel();
    
            //准备发送
            long startTime = System.currentTimeMillis();
    
            //在linux下一个transferTo 方法就可以完成传输
            //在windows 下 一次调用 transferTo 只能发送8m , 就需要分段传输文件, 而且要主要
            //传输时的位置 =》 课后思考...
            //transferTo 底层使用到零拷贝
            long transferCount = fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);
    
            System.out.println("发送的总的字节数 =" + transferCount + " 耗时:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));
    
            //关闭
            fileChannel.close();
    
        }
    }

### AIO ###

1.  JDK 7 引入了 Asynchronous I/O，即 AIO。在进行 I/O 编程中，常用到两种模式:Reactor 和 Proactor。Java 的 NIO 就是 Reactor，当有事件触发时，服务器端得到通知，进行相应的处理
2.  AIO 即 NIO2.0，叫做异步不阻塞的 IO。AIO 引入异步通道的概念，采用了 Proactor 模式，简化了程序编写， 有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接 数较多且连接时间较长的应用
3.  目前AIO还没有广泛应用，Netty也是基于NIO,而不是AIO，因此我们就不详解AIO了，有兴趣的同学可 以参考 <<Java 新一代网络编程模型 AIO 原理及 Linux 系统 AIO 介绍 >>  
    http://www.52im.net/thread-306-1-1.html

BIO、NIO、AIO：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NvbGRfX19wbGF5_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NvbGRfX19wbGF5_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20210813/ce7880639b754c27a4b7fb1f9963348e.png
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