NIO 零拷贝

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：

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：

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：

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：

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