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Nio Zero Copy
谈到 NIO，总会提起 Zero Copy「零拷贝」；本篇文章就大概讲述一下零拷贝的内容。
首先，零拷贝的技术必须依赖操作系统，如果操作系统不支持，则编程语言上是无法解决的。零拷贝并不是指完全没有拷贝，而是消除了用户空间与内核空间之间的拷贝；
下面我们先看看没有零拷贝前，操作系统读写数据的流程；
上图中的逻辑大概如下：
- 程序调用操作系统 read 方法；操作系统从用户态切换至内核态，并从外部设备中读取数据至内核态中；
- 将内核态读取数据拷贝至用户态，供用户态处理；
- 程序将处理好的数据，通过调用操作系统 write 方法，将数据从用户态拷贝至内核态；
- 最后操作系统将数据输出到外部设备中；
从中可以发现，这个操作过程中出现了数据在用户态与内核态之间互相拷贝的问题，并且出现 4 次的用户态与内核态的切换；而零拷贝技术，就是避免了数据的重复拷贝，并且减少了用户态与核心态切换次数；
下面是零拷贝读写数据的流程：
从上图可以看出来，数据仅从外部设备读取至内核态中，并最后从内核态写回外部设备中；并没有出现数据拷贝至用户态的情况了；但是细心的你可能发现，期间还是出现了一次数据从内核态的 buffer 中拷贝至 socket buffer 中，当然操作系统也在此过程中避免了拷贝，通过维护内核态 buffer 的状态信息如起始内存地址、数据大小，直接从内核态 buffer 中传输数据；
DMA: 直接内存访问，是操作系统为了避免不同速度硬件设备之间的数据操作，导致大量的 CPU 中断负载；
示例程序
下面分别实现一个传统读写文和 Nio 读写文件的程序，来感受一下零拷贝带来的性能提升。
服务端
本示例重于感受零拷贝读写数据的性能，因此服务端仅仅接收数据后什么也不做。
public class ZeroCopyServer {
public static void main(String[] args) throws Exception {
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
serverSocket.setReuseAddress(true);
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8081));
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4096);
System.out.println("Server startup...");
while (true) {
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
socketChannel.configureBlocking(true);
int readCount = 0;
try {
while (-1 != readCount) {
readCount = socketChannel.read(buffer);
buffer.rewind();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
非零拷贝客户端
public class OldClient {
public static void main(String[] args) throws Exception{
Socket socket = new Socket("localhost",8081);
String filePath = "E:\\Video\\Netty\\1111.mp4";
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(filePath);
DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());
byte[] buffer = new byte[4096];
int readTotal = 0;
int readCount = 0;
long startTime = System.currentTimeMillis();
while (-1 != (readCount = fileInputStream.read(buffer, 0, buffer.length))) {
readTotal += readCount;
dataOutputStream.write(buffer);
}
System.out.println("Old ---> Read Total: " + readTotal + "; Coast Time: " + (System.currentTimeMillis() - startTime));
dataOutputStream.close();
fileInputStream.close();
socket.close();
}
}
零拷贝客户端
public class NewClient {
public static void main(String[] args) throws Exception {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress(8081));
socketChannel.configureBlocking(true);
String filePath = "E:\\Video\\Netty\\1111.mp4";
FileChannel fileChannel = new FileInputStream(filePath).getChannel();
/*
由于 windows 操作系统会限制一次零拷贝最大长度；因此这里需要
循环传输数据；如果是 linux 中则只要内存足够，可以直接一次传输
完毕
*/
long startTime = System.currentTimeMillis();
long fileSize = fileChannel.size();
long remainSize = fileChannel.size();
int readTotal = 0;
while (readTotal < fileSize) {
long transferSize = fileChannel.transferTo(readTotal, remainSize, socketChannel);
readTotal += transferSize;
remainSize -= transferSize;
}
System.out.println("New ---> Read Total: " + readTotal + "; Coast Time: " + (System.currentTimeMillis() - startTime));
fileChannel.close();
}
}
运行结果
示例中的被读写文件大小为 400MB 左右；
多次运行后，结果大概与上图差不多，非零拷贝大概需要 2100 ms 左右，而零拷贝在 300 ms 左右；