零拷贝你知道吗？你听说过吗？

不念不忘少年蓝@ 2022-10-10 04:45 286阅读 0赞

> 面试官： 零拷贝知道吗？
> 
> ..
> 
> 面试官：MMAP知道吗？
> 
> 不知道..
> 
> 面试官： 回去等结果吧！

复制一个文件的内容到另外一个文件，有极好的处理方式，也有极差的处理方式。不过如果一般我们使用的就是极差的方式。

来看看应该如何做这个拷贝的优化，这需要用到linux内核的**用户态和内核态切换**的概念，以及一点点内核的知识。

## 看看极差情况下的代码是如何写 ##

File file = new File("test.txt");
    RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");
    
    byte[] arr = new byte[(int) file.length()];
    raf.read(arr);
    
    Socket socket = new ServerSocket(8080).accept();
    socket.getOutputStream().write(arr);

## 看看极差的传统IO的原理图 ##

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1.  先说一下linux内核的用户态和核心态转换的问题。这实际上是linux内核的一种设计方式。linux的设计者为了保护系统的安全性，把核心的内容封装在了linux内核。然后对外提供了调用的api，也就是提供了调用的方法，而使用这些方法的正是用户态，我们的程序实际上是和用户态交互的，我们把命令交给用户态，然后用户态去调用内核态真正的执行。所以这就设计到了用户态和核心态转换的问题，虽然这个花费的时间是极短的，但是也是需要注意到的点。 结合上边的图，其实红绿色的圈，就是代表一次状态的切换。我们一个传统的IO，实际上要经历四次的状态切换。
2.  关于拷贝。上边说了状态的切换，实际上还要知道两个空间。用户态对应的用户空间，内核态对应的是内核空间。它们都是独立的，不相互访问。所以最差的情况下，就是上图，经历一次 **DMA**的直接内存的拷贝，把内容拷贝到了内核空间，然后走了**一次CPU拷贝**，把内容从内核空间拷贝到了用户空间。在用户空间上的内容，是我们的写的程序可以操作的内容，经由我们的程序操作完了以后，**由经CPU拷贝到了内核态**，然后又经过DMA直接拷贝到了协议栈。
3.  MDA：直接内存拷贝，不经过不占用CPU。

## MMAP，内核的进步，节省了一次CPU的拷贝 ##

mmap实际上就是通过开辟共享空间的方式，可以让用户空间和内核空间都能访问到。这样就不用从内核态经由CPU拷贝到用户态去操作了，因为是共享的，所以我们的程序可以直接的操作。如下图我用红框圈起来的，就可以看做是MMAP空间。

这是linux内核给我们带来的提升。

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## [sendFile 优化][sendFile] \- 零拷贝的真正实现 ##

这也是基于linux内核的升级，为我们真正的去掉了最后的一次CPU拷贝，达到了零拷贝的效果。但是所谓的领拷贝，它是指没有了CPU的拷贝。从图上还可以看到，从内存够直接拷贝到内核空间的操作还是有的，但是它不走CPU。

`Linux2.1` 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 `SocketBuffer`，同时，由于和用户态完全无关，就减少了一次上下文切换

![c4384ab81fc9d9ad3b6a850665298ad5.png][]

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[sendFile]: https://dongzl.github.io/netty-handbook/#/_content/chapter03?id=_3145-sendfile-%E4%BC%98%E5%8C%96
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