大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

一、 零拷贝 简介

零拷贝作用 : 在网络编程中 , 如果要进行性能优化 , 肯定要涉及到零拷贝 , 使用零拷贝能极大的提升数据传输性能 ;

零拷贝类型 : mmap ( 内存映射 ) 和 sendFile;

数据角度分析 : 在零拷贝机制中 , 整个数据在内存中只有一份数据 , 非零拷贝机制中 , 内核缓冲区 , 用户缓冲区 , Socket 缓冲区 , 各有一份数据 ;

零拷贝指的是没有 CPU 拷贝 , 都是 DMA ( 直接内存访问 ) 拷贝 ;

零拷贝性能优势 : 没有复制数据带来的内存开销 , 没有 CPU 拷贝 , 直接节省了大量 CPU 计算资源 ;

二、 传统 BIO 数据拷贝分析 ( 4拷贝 4切换 )

传统 BIO 数据拷贝代码示例 :

package kim.hsl.nio.zerocopy;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.Inet4Address;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;

public class BIOClientDemo { 
   
    public static void main(String[] args) { 
   
        try { 
   
            // 客户端与服务器端连接过程忽略, 主要是分析数据拷贝过程
            Socket socket = new Socket();
            InetSocketAddress inetSocketAddress =
                    new InetSocketAddress(Inet4Address.getLocalHost(), 8888);
            socket.connect(inetSocketAddress);

            // 分析下面过程中, 数据拷贝次数, 和用户态与内核态的转换次数

            // 1. 从文件中读取数据
            FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("file.txt");
            byte[] buffer = new byte[1024];

            // 首先将硬盘中的文件, 进行 DMA 拷贝, 此处对应 read 方法, 
            // 将文件数据从硬盘中拷贝到 内核缓冲区 ( 用户态切换成内核态 )
            // 将内核缓冲区中的数据, 通过 CPU 拷贝 方式, 拷贝到 用户缓冲区 ( 内核态切换成用户态 )
            int readLen = fileInputStream.read(buffer);

            // 2. 写出数据到服务器
            // 将用户缓冲区中的数据, 再次通过 CPU 拷贝方式, 拷贝到 Socket 缓冲区 ( 用户态切换成内核态 )
            // 再次使用 DMA 拷贝, 将 Socket 缓冲区中的数据拷贝到 协议栈 ( Protocol Engine ) 中
            socket.getOutputStream().write(buffer, 0, readLen);
        } catch (IOException e) { 
   
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

分析上述代码中数据拷贝次数 , 用户态与内核态状态切换 ;

1 . fileInputStream.read(buffer) 操作数据拷贝及状态转换分析 :

① 硬盘 ( 初始用户态 ) -> 内核缓冲区 ( 内核态 ) : 首先将硬盘中的文件 , 进行 DMA${}^{[1]}$ 拷贝 , 此处对应 read 方法 , 将文件数据从硬盘中拷贝到 内核缓冲区 ; ( 用户态切换成内核态 )

② 内核缓冲区 ( 内核态 ) -> 用户缓冲区 ( 用户态 ) : 将内核缓冲区中的数据 , 通过 CPU 拷贝 方式 , 拷贝到 用户缓冲区 ; ( 内核态切换成用户态 )

2 . socket.getOutputStream().write(buffer, 0, readLen) 操作数据拷贝及状态转换分析 :

① 用户缓冲区 ( 用户态 ) -> Socket 缓冲区 ( 内核态 ) : 将用户缓冲区中的数据 , 再次通过 CPU 拷贝 方式 , 拷贝到 Socket 缓冲区 ; ( 用户态切换成内核态 )

② Socket 缓冲区 ( 内核态 ) -> 协议栈 : 再次使用 DMA${}^{[1]}$ 拷贝 , 将 Socket 缓冲区中的数据拷贝到 协议栈 ( Protocol Engine ) 中 ;

3 . 总结 : 上述进行了 $4$ 次拷贝 , $3$ 次用户态与内核态之间的状态切换 , 代价很高 ;

① 拷贝次数分析 : 开始时数据存储在 硬盘文件 中 , 直接内存拷贝 ( Direct Memory Access ) 到 内核缓冲区 , CPU 拷贝 到 用户缓冲区 , CPU 拷贝 到 Socket 缓冲区 , 直接内存拷贝 ( Direct Memory Access ) 到 协议栈 ;

硬盘文件 -> 内核缓冲区 ( 内核空间 ) -> 用户缓冲区 ( 用户空间 ) -> Socket 缓冲区 ( 内核空间 ) -> 协议栈

② 状态改变分析 : 开始运行的是用户应用程序 , 起始状态肯定是用户态 , 之后将硬盘文件数据拷贝到内核缓冲区后 , 转为内核态 , 之后又拷贝到了用户缓冲区 , 转为用户态 ; 数据写出到 Socket 缓冲区 , 又转为内核态 , 最后再切换成用户态 , 执行后续应用程序代码逻辑 ;

用户态 -> 内核态 -> 用户态 -> 内核态 -> 用户态

$[1]$ DMA 全称 ( Direct Memory Access ) , 直接内存拷贝 , 该拷贝通过内存完成 , 不涉及 CPU 参与 ;

三、 mmap 内存映射 ( 3拷贝 4切换 )

将硬盘中的文件映射到 内核缓冲区 , 用户空间中的应用程序也可以访问该 内核缓冲区 中的数据 , 使用这种机制 , 原来的 $4$ 次数据拷贝减少到了 $3$ 次 ,

1 . mmap 数据拷贝过程 :

① 硬盘文件 -> 内核缓冲区 : 硬盘文件数据 , DMA 拷贝到 内核缓冲区 中 , 应用程序可以直接访问该 内核缓冲区中的数据 ;

② 内核缓冲区 -> Socket 缓冲区 : 内核缓冲区 数据 , 通过 CPU 拷贝到 Socket 缓冲区 ;

③ Socket 缓冲区 -> 协议栈 : Socket 缓冲区 数据 , 通过 DMA 拷贝到 协议栈 ;

硬盘文件 -> 内核缓冲区 ( 内核空间 ) -> Socket 缓冲区 ( 内核空间 ) -> 协议栈

2 . mmap 状态切换 : 其状态切换还是 $3$ 次 , 由初始状态 用户态 , 在拷贝数据到内核缓冲区时 , 切换成内核态 , 访问该内核缓冲区数据时 , 又切换成用户态 , 将数据拷贝到 Socket 缓冲区时 , 切换成内核态 , 最后再切换成用户态 , 执行后续应用程序代码逻辑 ;

用户态 -> 内核态 -> 用户态 -> 内核态 -> 用户态

四、 sendFile 函数 ( Linux 2.1 优化 ) ( 3拷贝2切换 )

sendFile 是 Linux 提供的函数 , 其实现了由 内核缓冲区 直接将数据拷贝到 Socket 缓冲区 , 该操作直接在内核空间完成 , 不经过用户空间 , 没有用户态参与 , 因此 减少了一次用户态切换 ;

此次优化 , 由原来的 $4$ 次拷贝 , $3$ 次状态切换 , 变成 $3$ 次拷贝 , $2$ 次状态切换 ;

1 . sendFile 函数 数据拷贝分析 :

① 硬盘文件 -> 内核缓冲区 : 硬盘文件数据 , DMA 拷贝到 内核缓冲区 中 ;

② 内核缓冲区 -> Socket 缓冲区 : 内核缓冲区 数据 , 通过 CPU 拷贝到 Socket 缓冲区 ;

③ Socket 缓冲区 -> 协议栈 : Socket 缓冲区 数据 , 通过 DMA 拷贝到 协议栈 ;

硬盘文件 -> 内核缓冲区 ( 内核空间 ) -> Socket 缓冲区 ( 内核空间 ) -> 协议栈

2 . sendFile 函数 状态切换分析 : 其状态切换只有 $2$ 次 , 由初始状态 用户态 , 在拷贝数据到内核缓冲区时 , 切换成内核态 , 在内核态直接将数据拷贝到 Socket 缓冲区时 , 还是处于内核状态 , 之后拷贝到协议栈时 , 变成用户状态 ;

用户态 -> 内核态 -> 用户态

五、 sendFile 函数 ( Linux 2.4 优化 ) ( 2拷贝 2切换 )

sendFile 是 Linux 提供的函数 , 其在 Linux 2.4 版本中 , 直接将数据从 内核缓冲区 拷贝到 协议栈 中 ;

此次优化 , 由原来的 $4$ 次拷贝 , $3$ 次状态切换 , 变成 $2$ 次拷贝 , $2$ 次状态切换 ;

1 . sendFile 函数 数据拷贝分析 : 全称 DMA 拷贝 , 没有 CPU 拷贝 ;

① 硬盘文件 -> 内核缓冲区 : 硬盘文件数据 , DMA 拷贝到 内核缓冲区 中 ;

② 内核缓冲区 -> -> 协议栈 : 通过 DMA 拷贝 , 将 内核缓冲区 中的数据直接拷贝到 协议栈 ;

硬盘文件 -> 内核缓冲区 ( 内核空间 ) -> 协议栈

2 . sendFile 函数 状态切换分析 : 其状态切换只有 $2$ 次 , 由初始状态 用户态 , 在拷贝数据到内核缓冲区时 , 切换成内核态 , 在内核态直接将数据拷贝到协议栈时 , 变成用户状态 ;

用户态 -> 内核态 -> 用户态

3 . 少量 CPU 拷贝 : 该机制还存在少量的 CPU 拷贝 , 其 对性能的消耗忽略不计 ; 这些 CPU 拷贝操作是从 内核缓冲区 中将数据的长度 ( Length ) , 偏移量 ( Offset ) 拷贝到 Socket 缓冲区 ;