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Java 零拷贝

参考：

• Java中的零拷贝

零拷贝(英语: Zero-copy) 技术是指计算机执行操作时，CPU不需要先将数据从某处内存复制到另一个特定区域。这种技术通常用于通过网络传输文件时节省CPU周期和内存带宽。

• 零拷贝技术可以减少数据拷贝和共享总线操作的次数，消除传输数据在存储器之间不必要的中间拷贝次数，从而有效地提高数据传输效率
• 零拷贝技术减少了用户进程地址空间和内核地址空间之间因为上:下文切换而带来的开销

传统的IO数据读写
如下的例子，Java传统IO和网络编程的一段代码

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(8090).accept();
socket.getOutputStream().write(arr);

实际上就是一个文件读和文件写的过程
传统IO读写示意图

1.DMA(Direct Memory Access，直接内存拷贝，即经过CPU的拷贝)等待数据准备好，把磁盘数据读取到操作系统内核缓冲区；
2.用户进程，将内核缓冲区的数据copy到用户空间。
3.读取文件，再用socket发送出去，再将用户空间的数据copy到socket网络发送缓冲区(属于操作系统内核的缓冲区)；
4.将socket buffer的数据，copy到网卡，由网卡进行网络传输。

传统的IO进行了4次拷贝，进行了3次上下文切换。4次拷贝，其中两次是DMA copy，两次是CPU copy

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控件的拷贝次数

这种方式的I/O原理就是将用户缓冲区（user buffer）的内存地址和内核缓冲区（kernel buffer）的内存地址做一个映射，也就是说系统在用户态可以直接读取并操作内核空间的数据。

可见使用mmap进行IO，进行了3次拷贝，进行了3次上下文切换

Linux支持的零拷贝

1.sendfile
linux 2.1支持的sendfile

当调用sendfile()时，DMA将磁盘数据复制到kernel buffer，然后将内核中的kernel buffer直接拷贝到socket buffer；
一旦数据全都拷贝到socket buffer，sendfile()系统调用将会return、代表数据转化的完成。
socket buffer里的数据就能在网络传输了。

sendfile会经历：3次拷贝，1次CPU copy 2次DMA copy，以及2次上下文切换

提示 – 零拷贝是从操作系统角度来看的，是指没有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，从而减少了一次数据拷贝

会经历2次拷贝: 0次cpu copy，2次DMA copy

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放肆，减少CPU拷贝，mmap则不能（必须从内核拷贝到Socket缓冲区）

传统方式

如下的服务端OldIOServer

public class OldIOServer { 
   
    public static void main(String[] args) throws Exception { 
   
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(7001);
        while (true) { 
   
            Socket socket = serverSocket.accept();
            DataInputStream dataInputStream = new DataInputStream(socket.getInputStream());

            try { 
   
                byte[] byteArray = new byte[4096];
                while (true) { 
   
                    int readCount = dataInputStream.read(byteArray, 0, byteArray.length);
                    if (readCount == -1) { 
   
                        break;
                    }
                }
            } catch (Exception e) { 
   
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

客户端OldIOClient

public class OldIOClient { 
   
    public static void main(String[] args) throws Exception{ 
   

        Socket socket = new Socket("localhost", 7001);

        String fileName = "test.txt";
        InputStream inputStream = new FileInputStream(fileName);

        DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());

        byte[] buffer = new byte[4096];
        long readCount;
        long total = 0;

        long startTime = System.currentTimeMillis();

        while ((readCount = inputStream.read(buffer)) >= 0) { 
   
            total += readCount;
            dataOutputStream.write(buffer);
        }

        System.out.println("发送总字节数：" + total + ", 耗时：" + (System.currentTimeMillis() - startTime));

        dataOutputStream.close();
        socket.close();
        inputStream.close();

    }
}

发送的test.txt文件内容如下：

控制台输出如下：

NIO方式

服务端：

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);

        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);
        while (true) { 
   
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            int readCount = 0;
            while (readCount != -1) { 
   
                try { 
   
                    readCount = socketChannel.read(byteBuffer);

                } catch (Exception ex) { 
   
                    ex.printStackTrace();
                }
                //将buffer倒带
                byteBuffer.rewind();
            }
        }

    }
}

客户端：

public class NewIOClient { 
   
    public static void main(String[] args) throws Exception { 
   

        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 7001));
        String fileName = "test.txt";

        //得到一个文件channel
        FileChannel fileChannel = new FileInputStream(fileName).getChannel();
        //准备发送
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        //transferTo底层使用零拷贝
        /** * This method is potentially much more efficient than a simple loop that reads from this channel and writes to the target channel. * Many operating systems can transfer bytes directly from the filesystem cache to the target channel without actually copying them */
        long transferCount = fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);

        System.out.println("发送总字节数：" + transferCount + ", 耗时：" + (System.currentTimeMillis() - startTime));
        fileChannel.close();

    }
}

控制台输出如下，因为我这里传输的文件比较小，所以没什么效果：

BIO、NIO、AIO的比较

1.同步阻塞：到理发店理发，一直等待理发师，直到轮到自己
2.同步非阻塞：到理发店理发，发现前面有其它人理发，给理发师说下，先干其它的事情，一会儿过来看是否轮到自己
3.异步非阻塞：给理发师打电话，让理发师上门服务，自己干其它事情，理发师自己来给你理发