NIO 零拷贝

- 日理万妓 2022-10-11 10:57 202阅读 0赞

# 零拷贝 #

### 文章目录 ###

*  零拷贝
 *   *  一、传统IO的问题
     *  二、NIO优化
     *   *  1. Linux 2.1 优化（零拷贝）
         *  2. Linux 2.4 优化（零拷贝）
     *  三、零拷贝

## 一、传统IO的问题 ##

将服务器中的文件内容，通过 socket 的 API，发送到客户端：

File f = new File("helloword/data.txt");
    RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");
    
    //将数据从文件读取到byte数组中
    byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
    file.read(buf);
    
    //将数据从byte数组写出到网络socket
    Socket socket = ...;
    socket.getOutputStream().write(buf);

**读写操作的内部工作流程如下：**

![image-20210625111435743][]

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 来实现文件的读操作（期间不会使用 CPU）
    
    > DMA 可以理解为专门用来负责数据传输的硬件，不会利用CPU时间
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，将数据从**用户缓冲区**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 也不具备，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

**可以看到传统IO存在的问题：**

*  **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 4 次

## 二、NIO优化 ##

*  NIO优化是通过使用直接内存 `DirectByteBuffer`
 *  调用 `ByteBuffer.allocateDirect(10)` ，返回的 `DirectByteBuffer` 使用的是操作系统内存，java 层面和操作系统都可以访问到
    
     *  调用 `ByteBuffer.allocate(10)` ，返回的 `HeapByteBuffer` 使用的是 java 内存

**读写过程如下所述：**

![image-20210625112301752][]

大部分步骤与优化前相同，不再赘述。

不同点：内核缓冲区和用户缓冲区，共用一块内存 `DirectByteBuffer` ，减少了一次数据的拷贝。

用户态与内核态的切换次数没有减少。

### 1. Linux 2.1 优化（零拷贝） ###

采用了 Linux 2.1 后提供的 `sendFile` 方法，在 java 中对应着两个方法可以调用到 `sendFile` 方法：

*  channel 调用 `transferTo/transferFrom` 方法拷贝数据

**读写过程如下所述：**

![image-20210625112656819][]

第2步中，**内核缓冲区**中的数据无需写入数组或直接内存，通过调用 `sendFile` 方法直接将数据写入到 socket 缓冲区，不经过 java 层面（少了两次内核态和用户态的切换）。

注意：数据从**内核缓冲区**传输到 **socket 缓冲区**，CPU 会参与拷贝。

只发生了一次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 3 次。

### 2. Linux 2.4 优化（零拷贝） ###

底层依然采用了 linux 2.1 后提供的 `sendFile` 方法。

**读写过程如下所述：**

![image-20210625113234471][]

**内核缓冲区**的数据可直接写入到网卡。

只会将**内核缓冲区**中的少量 offset 和 length 信息拷入 **socket 缓冲区**，几乎无消耗。

整个过程只发生了一次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次。

## 三、零拷贝 ##

调用 linux 2.1 后提供的 `sendFile` 方法的拷贝都可以称为零拷贝。

所谓的零拷贝，并不是没有拷贝操作，而是不会将数据拷贝到 Java 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 时间
 *  零拷贝适合小文件传输
    
     *  如果文件较大，会把数据读入到内核缓冲区，而缓冲区的目的（优点）是循环的获取少量数据
        
         *  一次读入大量数据，不能利用缓冲区的优点
         *  如果占用缓冲区内存较大，会影响其他数据对缓冲区的使用

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