NIO优化底层原理和零拷贝

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传统 IO 问题

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

File f =newFile("helloword/data.txt");RandomAccessFile file =newRandomAccessFile(file,"r");byte[] buf =newbyte[(int)f.length()];
file.read(buf);Socket socket =...;
socket.getOutputStream().write(buf);

读取磁盘数据的时候，之所以要发生上下文切换，这是因为用户空间没有权限操作磁盘或网卡，内核的权限最高，这些操作设备的过程都需要交由操作系统内核来完成，所以一般要通过内核去完成某些任务的时候，就需要使用操作系统提供的系统调用函数。

而一次系统调用必然会发生 2 次上下文切换：首先从用户态切换到内核态，当内核执行完任务后，再切换回用户态交由进程代码执行。

所以，要想减少上下文切换到次数，就要减少系统调用的次数。

内部工作流程是这样的：

共有四次数据拷贝：

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（Direct Memory Access）来实现文件读，期间也不会使用 cpu。> DMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 cpu 完成文件 IO。
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（此处的用户缓存也就是 byte[] buf），这期间 cpu 会参与拷贝，无法利用 DMA。
3. 调用 write 方法，这时将数据从用户缓冲区（byte[] buf）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 又不具备，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。

在前面我们知道了，传统的文件传输方式会历经 4 次数据拷贝，而且这里面，「从内核的读缓冲区拷贝到用户的缓冲区里，再从用户的缓冲区里拷贝到 socket 的缓冲区里」，这个过程是没有必要的。

因为文件传输的应用场景中，在用户空间我们并不会对数据「再加工」，所以数据实际上可以不用搬运到用户空间，因此用户的缓冲区是没有必要存在的。

中间环节较多，Java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的。

• 用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级。
• 数据拷贝了共 4 次。

NIO 优化

1、通过 DirectByteBuf

• ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer 使用的还是 Java 内存
• ByteBuffer.allocateDirect(10) DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存

减少了1次数据拷贝。

两个缓冲区用同一块内存。大部分步骤与优化前相同，不再赘述。

Java 可以使用 DirectByteBuf 将堆外内存映射到 Jvm 内存中来直接访问使用。

• 这块内存不受 Jvm 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写。
• Java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步： - DirectByteBuf 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列。- 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存。
• 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少。

2、进一步优化（linux 2.1）

（底层采用了 linux 2.1 后提供了一个专门发送文件的系统调用函数 sendfile()），Java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据。

1. Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 cpu。
2. 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝。
3. 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区 的数据写入网卡，不会使用 cpu，之后又从内核态切换到用户态来执行程序。

可以看到，减少了1次上下文切换和1次数据拷贝。

• 只发生了 2 次用户态与内核态的切换，因为此时无需用户缓存区，所以无需从内核态切换到用户态。
• 数据拷贝了 3 次

3、进一步优化（linux 2.4）

linux2.4后，对于支持网卡支持 SG-DMA 技术的情况下， sendfile() 系统调用的过程发生了点变化。

1. Java 调用 transferTo 方法后，要从 Java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 cpu。
2. 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗，可忽略不计。所以此过程不需要将数据从操作系统内核缓冲区拷贝到 socket 缓冲区中，这样就减少了一次数据拷贝。
3. 使用 DMA 将 内核缓冲区 的数据直接写入网卡，不会使用 cpu。

再次减少了1次拷贝。

整个过程发生了2次内核态和用户态的上下文切换，数据拷贝了 2 次。

零拷贝

零拷贝技术的文件传输方式相比传统文件传输的方式，减少了 1 次上下文切换和 2 次数据拷贝次数，只需要 2 次上下文切换和数据拷贝次数，就可以完成文件的传输，而且 2 次的数据拷贝过程，都不需要通过 CPU，2 次都是由 DMA 来搬运。

所谓的【零拷贝】，并不是真正无拷贝，而是再也不会拷贝重复数据到 Jvm 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 缓存伪共享。
• 零拷贝适合小文件传输。